Casa Inteligenta cu Microcentrala Fotovoltaica
Tema proiectului: Casa inteligenta cu microcentrala fotovoltaica
Studiu de caz: Casa dotata cu un sistem Smart-Home si alimentata cu energie electrica printr-un sistem PV
Continutul proiectului: 1. Notiuni teoretice introductive
2. Sisteme fotovoltaice
3. Strucutra unui sistem – Smart Home
4. Studiu de caz
5. Analiza economica a proiectului
6. Concluzii
7. Bibliografie
CUPRINS
1.Notiuni teoretice introductive……………………………………………………………………..pag 4
1.1 Sistemul „Casa inteligenta – Smart Home……………………………………………. pag 4
1.2. Energia solara fotovoltaica.Efectul fotovotaic PV …………………………pag 7
1.2.1 Energia solara.Moduri de conversie in energie electrica ………………pag 7
1.2.2 Tehnologia fotovoltaica PV…………………………………………………………….pag 8
1.2.3 Domenii de utilizare a energiei fotovoltaice…………………………………….pag 9
2 Sisteme fotovoltaice.Structura , caracteristici , principii de functionare……..pag 12
2.1 Celula fotovoltaica , caracteristici si principiu de functionare………………pag 12
2.2 Parametrii modulelor PV……………………………………………………………………pag 14
2.3 Interconexiunea modulelor PV , in serie si in paralel ……….……………pag 18
2.4 Sisteme fotovoltaice ………………………………………..…….………………..pag 21
2.4.1 Acumulatoare pentru stocarea energiei electrice………………………………..pag 22
2.4.2 Convertoare c.c./c.c. pentru realizarea tehnologiei MPPT……………………..pag 24
2.4.3 Invertorul……………………………………………………………………………………..pag 27
3 Strucutra unui sistem – Smart Home………………………………………………………..pag 31
3.1 Medii de transmisie ale semnalelor intr-un sistem smart-home …………..pag 31
3.2 Aplicatia practica a BMS cu magsitrala Instabus EIB/KNX …………. . pag 33
4 Studiu de caz……………………………………………………………………………………………pag 53
5 Analiza economica……………………………………………………………………………………pag 60
6 Concluzii………………………………………………………………………………………………….pag 64
7 Bibliografie………………………………………………………………………………………………pag 65
1.Notiuni teroretice introductive
1.1. Sistemul „Casa Inteligenta” – Smart Home
Imbunatatirea calitatii vietii , avand in vedere si cresterea procentului persoanelor in varsta, este o problema esentiala pentru societatile europene de astazi, unde procentul persoanelor peste 65 de ani este preconizat sa creasca cu 20% pana in anul 2020.Un mod pentru a imbunatati calitatea vietii este acela de a face din mediu de acasa un loc cat mai comfortabil, transformand-ul intr-un mediu inteligent – smart home enviornment.
Termenii smart homes , intelligent homes , home networking au fost folositi de mai bine de o decada pentru a ne introduce , explica conceptul de dispozitive conectate in retea (networking devices).In acord cu SHA – Smart Homes Association cea mai buna definitie pentru tehnologia smart home – casa inteligenta , este: intergrarea tehnologiilor si serviciilor intr-o retea comuna de casa pentru un comfort mai ridicat.
Pe parcusul anilor trecuti , posibilitatile mediilor inteligente au crescut considerabil ca si consecinta a dezvlotarii tehnologice.Aceasta crestere e vizibila in mai multe moduri in mediile inteligente realizate.Pentru a realiza o clasificare a caselor inteligente , trebuie sa privim lucrurile din perspectiva functionalitatii.Concetrandu-ne deci pe functionalitate putem imparti mediile inteligente in 5 categorii:
-medii care contin obiecte inteligente:mediul contine un singur obiect desinestatator , independent de alte obiecte continute in mediu.
-medii care contin obiecte inteligente ce comunica intre ele: mediile contin obiecte cu inteligenta tehnologica proprie dar care sunt capabile sa realizeze si un schimb de informatie cu celelate obiecte inteligente pentru o functionalitate crescuta.
-medii conectate:medii ce contin o retea interna si externa ce face posibil controlul interactiv si de la distanta al sistemelor tehnologice , si accesul la servicii atat din interiorul mediului cat si din afara lui.
-medii ce se adapteaza:o parte a activitatilor ce se desafasoara sunt inregistrate , iar datele acumulate sunt folosite pentru a anticipa nevoile utilizatorilor si pentru a controla tehnologia in functie de aceste nevoi.
-medii profesionale: toate activitatile si locatia persoanelor si obiectelor tehnologice din mediu , sunt constant inregistrate , informatiile obtinute folosindu-se pentru controlul tehnologic in functie de nevoile utilizatorilor.
Pe masura ce broadband-ul devine din ce in ce mai raspandit mediile inteligente trec de la medii ce contin obiecte inteligente la medii conectate ce contin o retea interna si externa.Mediile adaptive si cele profesionale exista doar in demonstratii experimentale.Pentru a creste calitatea vietii , mediile inteligentre trebuie sa fie macar in categoria mediilor conectate.Pentru a transmite servicii catre o casa inteligenta trebuie ca aceasta sa aiba o retea externa.Acest lucu este precizat deasemenea si in CENELEC – Comitetul European de Standardizare Electrotehnica.
In ultimul timp sistemele casa inteligenta – smart home , au fost implementate in casele noi.Asta inseamna ca cladirile ce contineau aceste noi case trebuiau readaptate pentru montarea acestor sisteme.In Suedia , spre exemple , un consultant de sisteme tehnnologice smart home s-a alaturat echipei de proiectare.Acest consultant lucreaza impreuna cu arhitectul , cu consultantul mecanic , consultantul electric.In Olanda nu exista un consultant de sisteme smart home , rolul lui indeplinindu-l consultantul electric.
Utilizarea echipamentelor tehnologice independente , ce ajuta la desfasurarea activitailor zilnice ale oamenilor , este destul de raspandita.Creand sisteme , prin integrarea echpamentelor desinestatatoare intr-o retea comuna , creste calitatea mediului dar si complexitatea acestuia.
In timp ce sistemele computerizate patrund tot mai mult in casele si vietile noastre de zi cu zi , problema design-ului devine mai putin importanta fata de problema efectiva a configurarii si integrarii in mediu.
Fig.1.1.Model schematic al unei sturcturi tehnologice de casa inteligenta.
Tehnologia smart-home reprezinta integrarea tehnologiilor si serviciilor , intr-o retea locala in scopul cresterii comfortului in mediu.Actual tehnologia smart-home trece de la simpla intregrare a tehnologiilor dintr-un mediu , intr-o retea locala , la o perspectiva mai larga , ce contine si functionalitati IT.Aceasta perspectiva mai larga se face simtita atunci cand se conecteaza retele diferite , prin gateway-urile rezidentiale.
Valoarea unui sistem smart home , nu se rezuma la un singur sistem , ci la o cale de a conecta impreuna mai multe sisteme tehnologice ce se completeaza reciproc.Procesul nu e static , preferintele putandu-se schimba in timp.
Noile tehnologii vor devenii astfel parte din mediul in care oamenii isi desfaoara activitatea. Interfetele actuale vor fi inlocuite iar intercatiunea dintre dispozitive se va face prin senzori si mircocomputere.Comunicarea in astfel de medii inteligente se va baza pe interactiuni convesationale :vocale sau de gesticulatie.Toate domeniile tehnologice ce indeplinesc nevoile si cererile utliziatorilor , sunt relevante pentru tehnologiile smart-home.
noi materiale (ex. Tehnologia polimerului);
– micro si nano electronica;
– tehnologia microsistemelor , incluzand biomicrotehnologiile(biochip-uri , senzori ce masoara valori ca: presiunea sangelui , temperatura , greutatea , ritmul respiratiei etc.);
– generaea si controlul energiei electrice (colectarea energiei necosumate);
– interfete om – masina(tehnologia display-urilor , comunicarea vocala);
– comunicatie (tehnologia retelelor);
– Software , tehnologii web&network;
Aceasta lista arata inca o data complexitatea tehnologiilor smart-home.Multe dezvoltari tehnologice creaza noi posibiltati in asistarea modului nostru de viata.E o provocare sa se tine pasul cu aceste dezvoltari si sa se combine rezultatele din diferite domenii tehnologoice intr-un singur concept folositor.
Infrastrustura sistemelot smart-home se poate descrie prin modelul format din trei nivele:
– nivelul network (retea);
– nivelul platforma;
– nivelul utlizator;
Nivelul network se refera la cablare fizica in interiorul si exteriorul casei: cablare telefonica , cablare TV , si reteaua de alimentare.Acest nivel se mai refera deasemenea si la cablarea pentru computer si cablarea pentru voltaj mic , mai exact pentru comunicatii IR(infrarosii) si RF(radiofrecventa).
Dispozitivele contin un protocol ce permite comunicarea intre dispozitive , controlul de la distanta si controlul central din interiorul mediului.In mod ideal toate dispozitivele ar trebui sa contina acelasi protocol de comunicare in mod practic insa acest lucru nu se intampla.Un homebus este un fir de voltaj mic , pe care se transfrea semnale printr-un anumit protocol de comunicare.In general putem distinge 2 tipuri de homebus-uri: sisteme cu inteligenta statica , neadaptiva si sisteme ce pot fi programate cu ajutorul unu PC.Dupa sistemele homebus , urmeaza sitemele de alimentare cu energie si apoi sistemele RE de transmitere a semnalelor.Dintre sistemele de alimentare distingem sistemul X10 care e cel mai vechi care a devenit A10 printr-o imbunatatire a protocolului si care a devenit foarte popular din cauza costurilor sale reduse. Recent diverse sisteme RE au iesit pe piata facilitand instalarea sistemelor smart-home in cladirile mai vechi in care nu era prevazuta instalarea acestor sisteme iteligente.
1.2.Energia solara fotovoltaica.Efectul fotovotaic PV
1.2.1.Energia solara.Moduri de conversie in energie electrica.
Energia solară poate fi folosită pentru generarea energiei electrice.Trecerea de la energia solara la energia electrica se poate face prin doua moduri: prin conversie indirecta si anume radiația solară se transformă în energie termica la temperaturi mari, apoi se obțin vapori, care produc în turbină energie mecanică, in sfârșit, antrenând un generator, se obține energie electrică sau prin conversie directa.
Prezentul proiect trateaza conversia directa a radiației solare în energie electrică. Tehnologia conversiei directe exclude transformările intermediere: radiația solară în energie termică, energia termică în energie mecanică, energia mecanică în energie electrică de curent alternativ. Conversia directă se realizează cu ajutorul materialelor solide semiconductoare, folosind efectul fotovoltaic. Generatorul fotovoltaic, așa numita celulă fotovoitaică, spre deosebire de generatorul electromecanic, produce energie electrică de curent continuu. Excluderea din lanțul tehnologic a transformărilor intermediare, lipsa mișcării, zgomotului, vibrațiilor, construcție modulară, durata de exploatare de peste 25 de ani, ne face să afirmăm că viitorul energeticii descentralizate va aparține la distanta si controlul central din interiorul mediului.In mod ideal toate dispozitivele ar trebui sa contina acelasi protocol de comunicare in mod practic insa acest lucru nu se intampla.Un homebus este un fir de voltaj mic , pe care se transfrea semnale printr-un anumit protocol de comunicare.In general putem distinge 2 tipuri de homebus-uri: sisteme cu inteligenta statica , neadaptiva si sisteme ce pot fi programate cu ajutorul unu PC.Dupa sistemele homebus , urmeaza sitemele de alimentare cu energie si apoi sistemele RE de transmitere a semnalelor.Dintre sistemele de alimentare distingem sistemul X10 care e cel mai vechi care a devenit A10 printr-o imbunatatire a protocolului si care a devenit foarte popular din cauza costurilor sale reduse. Recent diverse sisteme RE au iesit pe piata facilitand instalarea sistemelor smart-home in cladirile mai vechi in care nu era prevazuta instalarea acestor sisteme iteligente.
1.2.Energia solara fotovoltaica.Efectul fotovotaic PV
1.2.1.Energia solara.Moduri de conversie in energie electrica.
Energia solară poate fi folosită pentru generarea energiei electrice.Trecerea de la energia solara la energia electrica se poate face prin doua moduri: prin conversie indirecta si anume radiația solară se transformă în energie termica la temperaturi mari, apoi se obțin vapori, care produc în turbină energie mecanică, in sfârșit, antrenând un generator, se obține energie electrică sau prin conversie directa.
Prezentul proiect trateaza conversia directa a radiației solare în energie electrică. Tehnologia conversiei directe exclude transformările intermediere: radiația solară în energie termică, energia termică în energie mecanică, energia mecanică în energie electrică de curent alternativ. Conversia directă se realizează cu ajutorul materialelor solide semiconductoare, folosind efectul fotovoltaic. Generatorul fotovoltaic, așa numita celulă fotovoitaică, spre deosebire de generatorul electromecanic, produce energie electrică de curent continuu. Excluderea din lanțul tehnologic a transformărilor intermediare, lipsa mișcării, zgomotului, vibrațiilor, construcție modulară, durata de exploatare de peste 25 de ani, ne face să afirmăm că viitorul energeticii descentralizate va aparține tehnologiei fotovoltaice. Nu întâmplător revista engleză The Economist din 31 August 1991 menționa referitor la conversia fotovoitaică a energiei solare: "Din toate sursele alternative de energie – vântul, valul de mare, maree, geotermică – probabil cea mai promițătoare este conversia energiei solare în electricitate prin efect fotovoltaic".
1.2.2.Tehnologia fotovoltaica PV.
Termenul „fotovoltaic" derivă din combinația cuvântului grec photos ceia ce înseamnă lumină și numele unității de măsură a forței electromotoare – volt. Astfel, tehnologia fotovoltaică (PV) descrie generarea electricității cu ajutorul luminii.
Descoperirea efectului fotovoltaic este atribuită fizicianului francez Edmond Becquerel, care în anul 1839, efectuând experimente cu „bateria umedă" a observat că tensiunea generată de baterie crește dacă placa de argint este expusă radiației solare. Primul raport asupra efectului fotovoltaic sau fotoelectric, cum era numit la timpul respectiv, a fost făcut de savanții din Cambridge W.Adams și R. Day în 1877 unde sunt descrise schimbările care au loc într-o placă de selenium expusă luminii. In experiențele sale Heinrich Hertz a observat în anul 1887, că o placă din zinc se încarcă cu sarcină pozitivă dacă este expusă unei radiații ultraviolete. Fenomenul se datorează aceluiași efect fotoelectric: sub acțiunea razelor ultraviolete din metal sunt dezbătuți electroni, ca rezultat metalul se încarcă pozitiv.
Prima celulă PV a fost construită de electricianul american Charles Fritts în 1883 pe bază de selenium. Construcția celulei a fost patentată în anul 1884. Trebuie de menționat, că construcția celulei era foarte asemănătoare cu celulele de astăzi. Dar eficiența celulei era mai mică de un procent și nu a obținut o utilizare industrială.
La mijlocul secolului XX savanții și inginerii au revenit asupra studiului efectului fotovoltaic care are loc în semiconductoare.In anul 1953 echipa de ingineri de la Telephone Laboratories (Bell Labs) D. Chapin, C. Fuller și G. Pearson creează celula PV din siliciu dopat cu o eficiență cu mult mai mare decât celula din selenium. In următorul an aceiași echipă construiesc o celulă din siliciu cu un randament de 6 %. In același timp apar și primii consumatori de energie fotovoltaică – sateliții artificiali. In anul 1958 celulele PV au fost instalate la bordul satelitului american Vanguard 1 și serveau pentru alimentarea unui emițător radio. Până în prezent celulele PV sunt cele mai indicate surse de energie pentru tehnica spațială.
1.2.3.Domenii de utilizare a energiei fotovoltaice.
Sistemele fotovoltaice au fost folosite la inceput pentru a echipa satelitii, dupa aceea pe scara mai larga la echiparea ceasurilor electronice precum si a unor calculatoare. In ultimii 20 de ani sute de mii de sisteme fotovoltaice au fost instalate in toata lumea. Ele sunt folosite in orase mici, precum si in sate in care implementarea unui astfel de sistem este mai rentabila decat conectarea la reteaua electrica sau folosirea de baterii / minigeneratoare de curent. Astfel de sisteme au functionat perioade lungi de timp in domenii ca pomparea apei, electrificarea unor localitati sau case izolate, gestionarea unor rezerve de apa, aparate de taxat pentru parcari, telecomunicatii sau protectie catodica.
Totusi, in ciuda succesului acestor sisteme in toata lumea piata lor reprezinta numai un procent mic din ceea ce ar putea reprezenta piata de sisteme independente. Motivul principal nu este atat unul care tine de tehnologie cat lipsa de informatie. Existenta sistemelor fotovoltaice si rentabilitatea implementarii lor, atat la nivel urban cat si rural nu este cunoscuta de potentialii utilizatori. Deasemenea, exista conceptii gresite privind tehnologia fotovoltaica, ca de exemplu ideea ca sistemele fotovoltaice functioneaza numai in lumina solara intensa, tehnologia este prea sofisticata sau ideea ca ar fi prea scumpa comparativ cu extinderea retelei electrice.
In continuare sunt prezentate peste 40 de exemple de aplicatii fotovoltaice eficiente si fiabile care functioneaza atat in Europa cat si in alte tari ale globului. Se demonstreaza astfel urmatoarele caracteristici ale sistemelor fotovoltaice:
– exista locuri unde sistemele fotovoltaice reprezinta cea mai simpla si ieftina optiune pentru alimentarea cu energie electrica;
– larga varietate de produse care au fost dezvoltate pentru utilizarea sistemelor fotovoltaice;
– zonele unde energia electrica fotovoltaica este atat fiabila cat si testata experimental;
– exemple de produse care au un potential ridicat de piata.
Aceste exemple pot fi deosebit de valoroase pentru persoanele a caror activitate se desfasoara in zone indepartate de surse coventionale de energie, pentru experti in domeniul surselor de energie regenerabila, precum si pentru toti cei interesati in vastul potential ala acestei tehnologii deosebit de flexibile, care este energia fotovoltaica.
Exemplele au fost selectionate dintr-un program al Agentiei Internationale de Energie (IEA).
Daca am exploata la maximum intregul potential solar din Romania am putea substitui in aceasta forma aproximativ 50% din volumul de apa calda menajera sau 15% din cota de energie termica pentru incalzirea curenta.
– Utilizari directe in industrie si agricultura
– pompe de irigare
– cuptoare solare
– uscatorii solare
– incalzitoare solare
– distilerii solare
– desalinizarea apei de mare
– Utilizari indirecte in industrie si agricultura
– transformarea in energie mecanica
– transformarea in energie electrica
– Utilizari casnice
– climatizare de iarna si vara
– apa calda menajera
– frigidere solare
– sobe de gatit solare
– Utilizari cosmice
Fig.1.3. Schema unei instalații de încălzire solară
Fig.1.4.Schema unei instalatii fotovoltaice conectate la retea
2.Sisteme fotovoltaice.Structura , caracteristici , principii de functionare.
2.1.Celula fotovoltaica , caracteristici si principiu de functionare.
Celula fotovoltaica este un dispozitiv electronic, functionarea careia se datoreaza purtatorilor de sarcina minoritari. Ca material initial pentru fabricare se utilizeaza semiconductor, de obicei siliciu cristalin sau policristalin, pe suprafaja caruia prin diverse metode tehnologice se formeaza" straturi, care contin impuritati pentru a otyine joncjiunea p-n. In figura 2.1 este prezentata schema constructiva a unei celule fotovoltaice , avand la baza material semiconductor (siliciu) de tip p.
Aceasta radiatje poate fi echivalata cu un flux de fotoni care au energia:
Wf=hv
unde, h este constanta lui Planck, iar v este frecventa radiatiei. Daca energia fotonului este suficient de mare, atunci in urma coliziunii fotonului cu un atom ,electronul din banda de valenta va trece in banda de conductie, devenind liber, generand, totodata, un gol in reteaua cristalului. Astfel, sub actiunea fotonilor are loc generarea de perechi electroni-goluri. Acest efect se mai numeste efect fotovoltaic interior. In figura 2.1 din stanga fotonul A are o frecventa mai mica si deci o energie mai mica, fotonul B are o frecventa mai mare si corespunzator o energie mai mare (unda electromagnetica cu frecventa mica patrunde in material la adancimi mai mari si invers).
Purtatorii de sarcina noi aparuti sunt supusi actiunii campului electric al jonctiunii p-n caracterizat printr-un anumit potential de bariera U0 si care in dependent de tipul semiconductorului folosit este de ordinul 0,2 – 0,7 V. Aici sarcina spatiala a jonctiunii va avea rolul de separator de sarcini libere – perechi electroni-goluri. Electronii vor fi dirijaji spre zona n, golurile – spre zona p a celulei. Acesta este motivul pentru care sub influenta luminii zona p se incarca pozitiv, zona n se incarca negativ, ceea ce conduce la aparitia unui curent electric prin jonctiune, determinat de conversia fotovoltaica a radiatiei solare. Acest curent, circuland prin jonctiune dinspre zona n spre zona p duce la o cadere de tensiune U pe sarcina externa R, conectata la contactele din spate si contactul-grila de la suprafata (figura 2.1 din dreapta). Tensiunea U in raport cu jonctiunea p-n actioneaza in sens direct si, la randul sau, va determina prin jonctiune curentul diodei Id de sens opus curentului fotovoltaic Is, care se determina cu relatia:
1.
unde: Io este intensitatea curentului de saturatie; k – constanta lui Boltzmann; T -temperatura absoluta; e – sarcina electronului.
Caracteristicile principale ale celulei PV sunt: caracteristica amper-volt I(U) sau volt-amper U(I) si caracteristica de putere P(U). Curentul in circuitul exterior / se determina ca diferenta dintre curentul fotovoltaic ls si curentul diodei Id :
I=Is-Id=Is-Io*[exp(eU/kT)-1] 2.
Ecuatiei ii corespunde schema echivalenta simplificata a celulei PV, reprezentata in figura 4.7 a. Daca se tine seama de rezistenta Ri de scurgeri prin izolatia celulei PV si de Rs a elementelor conectate in serie, se poate intocmi o schema echivalenta completa a celulei PV (figura 4.7 b). Cu tehnologiile moderne se obtin celule cu Rj ~ 0 si Rs ~ 0, incat schema echivalenta simplificata este satisfacatoare.
2.2.Parametrii modulelor PV.
Producatorii de celule si module PV indica in cartea tehnica a produsului parametrii ridicati in conditii standard:
-radiatia solara globala pe suprafata celulei, G=1000 W/m2;
-temperatura celulei, Tc= 25 °C;
-masa conventionale de aer, AM=1,5
In mod obligatoriu in cartea tehnica se prezinta curentul de scurtcircuit, Isc; tensiunea de mers in gol, U0 puterea maximala sau critica, Pc; tensiunea si curentul in punctul critic, Um si Im. Pe Ianga acesti parametri pot fi indicati suplimentar: factorul de umplere (Fill Factor), FFt randamentul celulei sau modulului PV, Temperatura Normala de Functionare a Celulei NOCT, coeficientii de variatie a tensiunii de mers in gol si a curentului de scurtcircuit cu temperatura.
Curentul de scurtcircuit.
Se obtine la scurcircuitarea bornelor sarcinii R. Pe caracteristica I-U acesta e punctul cu coordonatcle U=0, I=Isc. Din expresia 2. , pentru U=0, obtinem Isc = Is. Puterea furnizata este egala cu zero.
Tensiunea de mers in gol.
Corespunde punctului de pe caracteristica I-U cu coordonatele I=0, U=Uo. Puterea debitata in acest punct este egala cu zero. Tensiunea de mers in gol poate fi determinata din expresia 2 pentru I=0:
U0=(kT/e)*ln(Is+I0/I0)=(kT/e)*ln(Is/I0) 3.
Pentru o celula din siliciu raportul I/I0 este de circa 1010, factorul kT/e , numit si tensiune termica, este egal cu 26 mV, Astfel U0= 0,6 V.
Puterea critica sau maximala.
Este produsul curentului la tensiunea in punctul M a caracteristicii I-V. In engleza acest parametru se numeste peak power si se noteaza Pc
Pc = UM * IM . 4
Geometric, puterea critica PCi corespunde punctelor de tangenta a hiperbolelor P = UI = constant catre caracteristicile amper – volt I-U .
Factorul de umplere (Fill Factor).
Se determina ca raportul dintre suprafetele dreptunghiurilor OUMMIM si OU0KISC sau:
FF=Um*Im/U0*Isc 5
de unde:
PC=FF*U0*ISC. 6
Factorul de umplere este masura calitatii celulei PV. Cu cat este mai mica rezistenta interna a celulei PV cu atat FF este mai mare. De obicei FF > 0,7.
RandamentuI celulei sau modulului PV.
Se determina cu raportul puterii generate de celula sau modulul PV in punctul optimal de functionare M la o temperatura specificata catre puterea radiatiei solare
η=Pc/A*G 7
unde Pc este puterea livrata in W; A este suprafata celulei sau modulului in m; G – radiatia globala incidenta pe suprafata celulei sau modulului in W/m2.
In conditii de laborator s-au obtinut celule din siliciu cristalin cu un randament de 13-25 % in dependenta de suprafata celulei, iar in conditii de fabricare – 12-14 %. RandamentuI celulei din siliciu policristalin este de 17-20 % in conditii de laborator si 11-13 % in conditii de fabrica. Celulele comercializate din siliciu amorf poseda un randament cuprins intre 7 si 11 % , iar in conditii de laborator – 16 %. Limita teoretica a randamentului din siliciu cristalin este de 37 %, celui din siliciu amorf- 28 % .
Temperatura Normala de Functionare a Celulei.
Corespunde temperaturii celulei PV la functionare in gol, la temperatura mediului de 20 C, radiatia globala de 800 W/m si viteza vantului mai mica de 1 m/s. Pentru celule uzuale NOCT se situeaza intre 42 si 46 °C. Daca cunoastem NOCT putem determina temperatura celulei Tc in alte conditii de functionare caracterizate de temperatura mediului TA si radiatia globala G :
Tc=Ta+[(NOCT-20)/0.8]*G 8
Caracteristicile celulei PV pentru diferite valori ale radiatiei solare sunt prezentate in figura 2.2.a Constatam, ca curentul fotovoltaic de scurtcircuit este direct proportional cu radiatia solara, iar tensiunea de mers in gol variaza putin deoarece, tensiunea U0 depinde logaritmic de radiafia solara (Is este proportional cu radiatia) si adesea in calcule
Fig.2.2Caracterisiicile celulei PV la variatia radiatiei solare (a) si temperaturii (b)
practice aceasta variafie se neglijeaza. Curentul de scurt circuit, pentru diferite valori ale radiatiei solare G, poate fi determinat cu o aproximatie satisfacatoare cu formula:
Isc=(G/Gst)*Iscst 9
unde Iscst este curentul de scurtcircuit a celulei corespunzator radiatiei standard Gst=1000 W/m . Temperatura celulei PV influenteaza semnificativ asupra tensiunii de mers in gol si cu mult mai putin asupra curentului de scurtcircuit Odata cu cresterea temperaturii tensiunea de mers in gol scade. Pentru celule din siliciu coeficientul de variatie a tensiunii cu temperatura KT este egal cu 2,3 mV/°C. Astfel parametrul U0 pentru temperaturi diferite de cea standard se va calcula cu expresia:
U0=U025-0.0023*(t-25); 10
unde U025 este tensiunea de mers in gol a celulei PV la temperatura standard; t – este temperatura curenta a celulei, °C. In calculele de proiectare variatia curentului de scurtcircuit si a factorului de umplere FF cu temperatura este neglijata.
2.3.Interconexiunea modulelor PV , in serie si in paralel.
Pentru a obtine tensiunea si puterea necesara consumatorului de energie electrica modulele PV pot fi conectate in serie, paralel sau serie-paralel (vezi figura 2.3 a, b, c). La conectarea in serie a doua module PV identice, curentul debitat consumatorului ramane acelasi tensiunea create de doua ori. In figura 2.3 a modulele PV1 si PV2 conectate in serie incarca bateria de acumulatoare GB. Punctul de functionare a sistemului module PV-GB este punctul de intersectie M a caracteristicilor respective: a doua module conectate in serie si a bateriei de acumulatoare. Diodele VD1 si VD2, numite diode de ocolire sau by-pass se
conecteaza in paralel cu fiecare modul sau cu un grup de module conectate in paralel (vezi figura 2.3 a). In regim de functionare normala diodele VD1 si VD2 nu consuma energie. Ele limiteaza incalzirea celulelor PV si nu permite micsorarea intensitatii curentului daca un modul din circuitul consecutiv este mai putin performant sau este umbrit. Evident tensiunea circuitului in serie se va micsora. Dioda VD2, numita anti-retur se conecteaza in serie cu sarcina. Aceasta dioda evita situatia, cand modulul PV poate deveni receptor, daca tensiunea generata va fi mai mica decat a acumulatorului. Este evident ca ea introduce o cadere de tensiune de circa 0,5V si corespunzator pierderi de energie. In figura 2.3 b se prezinta conectarea in paralel a doua module identice. Tensiunea generata ramane aceiasi, iar curentul creste de doua ori. Punctul de functionare al sistemului module PV- rezistenja R este punctul de intersectie M a caracteristicilor amper-volt ale modulelor si consumatorului -I = (1/R)-U. Diodele anti-retur VD11 si VD12 nu permit ca un modul sau un grup de module unite in paralel sa treaca in regim de receptor, atunci, cand nu sunt identice sau cand sunt umbrite.
In schema din figura 2.3 c modulele PV1-PV2, PV3-PV4 si PV5-PV6 sunt unite in serie, dar intre ele – in paralel. Astfel, se obtine majorarea de doua ori a tensiunii si de trei ori a curentului. Evident, puterea instalatiei creste de sase ori. Diodele VD1-VD6 sunt diode de ocolire, iar VD12, VD34, VD56 – anti-retur.
2.4.Sisteme fotovoltaice.
Celulele sau modulele PV nu sunt unicele componente a unui sistem PV. Pentru asigurarea continua a consumatorului cu energie electrica multe sisteme PV contin acumulatoare de energie electrica. Modulul PV prezinta un generator de curent continuu , dar adesea consumatorul de energie este de curent alternativ. Energia electrica PV are un caracter variabil, alternanta zi/noapte, cer senin/cer acoperit provoaca variatia intr-o gama mare a fluxului de energie si a tensiunii generate de modulul PV. Astfel, apare necesitatea conditionarii fluxului de energie, folosind convertoare electronice: c.c./c.c, care indeplineste si funcfia de monitorizare a procesului incarcare/descarcare a acumulatorului, c.c./c.a pentru transformarea curentului continuu in curent alternativ. Pentru a evita supradimensionarea generatorului fotovoltaic, adesea se foloseste o sursa auxiliara de energie. fie un grup electrogen, fie un generator eolian sau chiar reteaua electrica publica.
Toate aceste componente trebuie sa fie interconectate, dimensionate si specificate pentru a functiona intr-un sistem unic, numit sistem fotovoltaic.In figura 2.4 este prezentata structura unui sistem PV. Principalele componente sunt:
Modulul, panoul. campui de module sau, altfel spus, generatorul fotovoltaic.
Bateria de acumulatoare;
Subsistemul pentru conditionarea energie electrice, care includ inclus si elemente de masurare, monitorizare, protectee, etc.;
Sursa auxiliara de energie, de exemplu, un grup electrogen (back-up generator), care functioneaza pe benzina sau motorina. fn acest caz sistemul PV se mai numeste sistem PV hibrid.
Sistemele PV se divid in doua categorii principale: conectate la retea (grid-connected) sau care funcfioneaza in paralel cu rejeaua electrica publica si sisteme PV autonome (stand – alone PV system). Cea mai simpla sistema este sistema PV pentru pomparea apei, in care se utilizeaza pompe cu motoare de c.c. Acest sistem nu contine acumulatoare electrice (rezervorul de apa serveste ca acumulator) si nici convertoare de c.c./c.a.
Sistemele PV conectate la retea pot fi divizate in cele, in care reteaua electrica publica joaca rolul de sursa auxiliara de energie (grid back-up), cele, in care excesul de energie PV este fiirnizat in retea (grid interactive PV system) si centrale electrice PV (multi MW PV system).
In cadrul acestui proiect se face un studiu asupra unui sistem PV neconectat la retea si care contine acumulatoare de energie.Vom face deci , in continuare, o succinta caracteristica a componentelor principale ale unui asemenea sistem PV – acumulatoare de energie electrica, elemente de conditionare a energiei.
2.4.1 Acumulatoare pentru stocarea energiei electrice
Bateria de acumulatoare serveste pentru stocarea energie produsa de modulul PV. Stocarea energiei este necesara atunci cand exista decalajul in timp intre cererea de energie si aportul energetic al soarelui. Intr-o instalatie PV bateria indeplineste urmatoarele trei functii importante:
1.Autonomic – se realizeaza alimentarea cu energie electrica independent de variatia radiatiei solare;
2.Sursa de curenti de suprasarcina – bateria de acumulatoare poate furniza pe o durata scurta de timp un curent de suprasarcina care depaseste cu mult curentul generat de modulul PV. O astfel de situate apare la pornirea motoarelor electrice, fie de c.c. sau c.a.;
3. Stabilizator de tensiune – bateria asigura o tensiune constanta si o buna functionare a consumatorilor.
In instalatiile PV mai frecvent se utilizeaza doua tipuri de acumulatoare: cu plumb – acid(Pb – acid) si acumulatoare nichel – cadmiu (Ni – Cd) sau nichel – fier (Ni – Fe). Constructia si proprietatile acestor doua tipuri de acumulatoare sunt diferite. Bateriile de acumulatoare Pb – acid sunt cunoscute cititorului datorita folosirii frecvente a acestora, deja pe o perioada de 150 de ani, pentru demararea motoarelor cu ardere interna a automobilelor si ca forta de tractiune a vehiculelor electrice. Acumulatoarele Ni – Cd au fost elaborate mai tarziu ca un raspuns la necesitatea pastrarii energiei electrice pe o perioada mai mare, in conditii de functionare extreme si cu cheltuieli minime de exploatare.
Cele mai importante diferenfe intre proprietatile acumulatoarelor Ni – Cd si Pb – acid sunt:
Celula acumulatorului Ni-Cd genereaza o tensiune nominaia de 1,25 V, iar Pb-acid -de 2,0 V. Tensiunea acumulatorului Ni-Cd variaza putin in dependenta de gradul de incarcare.
Caracteristicile electrolitului acumulatorului Ni-Cd nu variaza pe parcursul incarcarii si descarcarii. Aceasta inseamna ca:
Densitatea electrolitului sau greutatea specifica nu variaza si acest parametru nu poate servi pentru identificarea gradului de incarcare;
Nu exista problema stratificarii electrolitului.
Punctul de congelare nu depinde de gradul de incarcare.
Capacitatea acumulatorului Ni-Cd variaza relativ putin in dependenta de viteza de descarcare.
Acumulatorul Ni-Cd permite un grad de descarcare mai mare decat acumulatorul Pb-acid. Factorul de descarcare poate fi egal cu 1 pentru Ni-Cd si maximum 0,5 pentru Pb-acid.
Acumulatoarele Ni-Cd ofera diverse avantaje: durata de viata de 20 ani, intretinere minimala, rezistenta la supraincarcare, randament bun la temperaturi ridicate, proprietatea de a fi pastrat incarcat sau descarcat fara stricaciuni. Durata de exploatare a acumulatoarelor Pb-acid nu depaseste 7 ani.
Costul acumulatoarelor Ni-Cd este de 2 – 3 ori mai mare decat a acumulatoarelor Pb-acid.
2.4.2. Convertoare c.c./c.c. pentru realizarea tehnologiei MPPT
Adaptorul de sarcina sau blocul de urmarire a punctului maximal de putere MPPT se realizeaza pe baza convertorului de c.c./c.c.Se prezinta doua scheme simplificate – prima asigura micsorarea tensiunii (buck converter) si respectiv majorarea curentului, a doua -majorarea tensiunii sj respectiv micsorarea curentului (boost converter) . Trebuie sa mentionam, ca aici nu sunt folosite transformatoare, fie de coborare sau ridicare, in ambele scheme se foloseste principiul de modulatie in durata a impulsurilor (Pulse Width Modulation – PWM). Tranzistorul VT conecteaza sau deconecteaza cu frecventa mare (de circa 20 kHz) inductanta L la iesirea modulului PV. Apoi energia acumulata este cedata sarcinii R conectata in paralel cu condensatorul C.
Fie ca pe durata de timp td tranzistorul VT este deschis.Modulul PV este conectat la sarcina prin intermediul inductantei L. Curentul care curge prin circuitul este notat cu iLd (vezi diagrama i(t) din figura 4.18 ). O parte din energia livrata de modulul PV este acumulata in campul magnetic al inductantei L, in condensatorul C, care se incarca, iar restul cedata sarcinii R. Ecuatia de functionare a circuitului PV-VT-L-C-PV in ipoteza ca toate elemente sunt ideale se va scrie astfel:
u=L+u pentru 0 , L >0.
de unde rezulta ca tensiunea u= u- L.
Pe durata de timp ti tranzistorul VT este inchis (blocat), curentul prin inductanta L continua sa curga prin circuitul VD-I-ramura C-R, ecuatia de functionare fiind:
0=L+u pentru 0 , L >0.
de unde rezulta ca tensiunea u=- L.
Astfel, tensiunea la iesire (pe condensatorul C, respectiv pe sarcina R) se determina ca tensiunea la intrare uPV minus tensiunea de autoinductie a inductantei L. Pentru regimul de curenti neintrerupti tensiunea pe condensator si curentul de sarcina se determina cu relatiile:
u= u*D , i=i/D.
2.4.3.Invertorul.
Invertorul face parte din subsistemul de condiponare a energiei electrice al sistemului PV si este componenta principals a convertorului c.c./c.a. Invertorul transforma energia de c.c, generata de modulele PV sau stocata in acumulatoare, in energie de c.a. de o frecventa prestabilita. Deja exista convertoare care asigura parametrii de calitate ai energiei electrice la acelasj nivel ca si retelele publice: frecventa si tensiune stabila, forma sinusoidala a undei de tensiune si curent.
In dependenta de cerintele impuse de sarcina privind forma undei de tensiune, factorul de suprasarcina, randament sunt disponibile diferite tipuri de invertoare.
Randamentul indicat corespunde functionarii invertorului la o sarcina de 75-100 % din puterea nominala. La alegerea invertorului este important sa cunoastem caracteristica randamentului ca functie de sarcina. Motoarele electrice necesita un curent de pornire cu mult mai mare decat cel nominal. Este important ca factorul de suprasarcina a invertorului sa corespunda acestei necesitati.
Invertorul cu unda dreptunghiulara are cea mai simpla schema, o eficienta relativ buna, este cel mai ieftin, dar provoaca o distorsiune armonica cea mai mare, ceea ce cauzeaza supraincaIzirea motoarelor. Acest tip de invertor se recomanda in sisteme PV de mica putere pentru iluminare, incalzire la tensiuni diferite de cea de c.c, de asemenea in componenta convertoarelor cc/cc, actionari electromagnetice. Invertorul cu unda cvasi – sinusoidala este mai complicat, dar relativ eficient. Modularea impulsurilor in durata este o tehnologie mai noua, schema de comanda a invertorului este cu mult mai complicata, costul invertorului este mai mare, dar asigura eficienta inalta si distorsiuni armonice minimale.
Invertorul cu unda dreptunghiulara.
Schema convertorului monofazat de tensiune cu tranzistoare bipolare este prezentata in figura 4.20. Diodele VD1-VD4 conectate in paralel si invers cu tranzistoarele VT1-VT4 asigura curgerea neintrerupta a curentului cu caracter inductiv atunci cand tranzistoarele conecteaza sarcina activ-inductiva la sursa de tensiune.
Daca tranzistoarele VT1-VT2 si VT3-VT4 sunt in stare de conducjie pe durata de jumatate de perioada si apoi blocate, atunci intre punctele a si b va fi genarata o unda de tensiune dreptunghiulara (vezi diagrama u(cot) din figura 4.20). Unda curentului este compusa din portiuni de exponents si in cazul sarcinii activ – inductive este defazata in raport cu tensiunea. Din aceasta cauza, in momentul blocarii tranzistoarelor VT1-VT2 sau VT3-VT4 (momentele de timp k si respectiv 2k) curentul este preluat de diodele VD3-VD4 si respectiv VD1-VD2. Daca se blocheaza tranzistoarele VT1-VT2, curentul va continua sa curga pe urmatoarea cale: a-R-L-VD3C-VD4-a, iar in cazul blocarii
tranzistoarelor VT3-VT4 – pe calea b-L-R-VDl-C-VD2-b.
Tranzistoarele VT1-VT4 formeaza unda de curent a fazei A, VT3-VT6 – unda de curent a fazei B si VT5-VT2 – unda de curent a fazei C. In acest scop, tranzistoarele fiecarei faze se afla in stare de conducjie sau sunt blocate succesiv cu un defazaj de 180°, iar intre faze, respectiv – 120°. Din diagramele curentilor constatam, sunt in stare de conductie concomitent trei tranzistori din sase si pe perioada sunt sase intervale (I,II,III,IV,V,VI) cu diferite stari ale tranzistoarelor. Pe durata primului interval sunt in conductie tranzistoarele VT1. VT6 si VT5. Curentul curge prin fazele A si C conectate in para lei si faza B conectata consecutiv. Pentru celelalte durate de timp se formeaza aceiasi schema dar cu diferite combinatii ale fazelor. In consecinta, pe faza va fi generate o unda in forma de trepte, amplitudinea careia este egala cu 2/3 U.
Pentru a obtine la iesirea invertorului o forma de unda a tensiunii cat mai sinusoidala, se compara un semnal de referinta, uref sinusoidal cu un semnal purtator, up triunghiular. In figura 2.6 este prezentata schema monofazata a invertorului cu tranzistoare IGBT cu modularea impulsurilor in durata si diagramele de tensiune. Punctele de intersectie ale semnalelor uref §i upl sunt folosite pentru impunerea momentelor de comutatie ale tranzistoarelor VT1 si VT2, iar a semnalelor uref §i uP2 – pentru impunerea momentelor de comutatie ale tranzistoarelor VT3 si VT4. Algoritmul de comanda este urmator:
Daca uref> uph tranzistorul VT1 este in conductie, iar VT2 – blocat;
Daca Uref < uPh tranzistorul VT1 este blocat, iar VT2 – in conductie;
Daca uref> uP2, tranzistorul VT3 este blocat, iar VT4 – in conductie;
Daca uref < up2, tranzistorul VT3 este in conductie, iar VT4 – blocat.
Frecventa fp a semnalului purtator stabileste frecventa de comutatie a tranzistoarelor VT1 -VT4, iar semnalul de referinta ure/, de frecventa fr egala cu frecventa dorita, este utilizat pentru modularea duratei de conductie. Frecventa fp este mai mare decat frecventa fr si poate atinge valori de pana la 20 kHz. in figura 2.6 frecventa fp este de trei ori mai mare decat fr.
Daca tranzistoarele VT1-VT4 sunt comandate in conformitate cu algoritmul de mai sus, atunci in punctele a sj b in raport cu punctul mediu O se vor genera trenuri de pulsuri de diferite durate (vezi diagramele uGa sj u0h). Diferenfa u0a – u0b este egala cu tensiunea pe sarcina. Fundamentala Uf este aproape de forma sinusoidala, iar in cazul sarcinii activ -inductive si curentul va fi sinusoidal.
Avantajele principale ale invertorului cu modularea impulsurilor in durata sunt:
Posibilitatea de reglare prin comanda invertorului atat a frecventei cat si a amplitudinii tensiunii la iesire, cea ce prezinta o importanta in cazul cand sursa de energie este modulul PV care genereaza o tensiune constanta;
Armonicile de frecventa joasa sunt eliminate din forma de unda a tensiunii la iesirea invertorului;
Incorporarea in invertorul PWM a tehnologiei de urmarire a punctului de putere maximala asigura functionarea modulului PV in regim optimal. In cazul sistemelor de pompare solara aceasta functie a invertorului conduce la cresterea semnificativa a productivitatitatii.
3 Strucutra unui sistem – Smart Home
3.1 Medii de transmisie ale semnalelor intr-un sistem smart-home
Mediile de transmitere a semnalelor au fiecare avantaje si dezavantaje.O regula generala in alegerea mediului de transmitere optim , este:viteze de transmitere a datelor cat mai mari la preturi cat mai reduse.Totusi cerea de banda depinde foarte mult de aplicatie.Pentru controlul unei transmisii de date , o banda de cativa kbps este suficienta.Aceasta banda e suficienta pentru majoritatea componentelor sistemului smart-home(senzori , unitati de control si vizulaizare).Insa , in cazul telecomunicatiilor banda necesara ajunge la ordinul megabitilor.In figura 3.1. avem o serie de medii de transmisie ce se folosesc actual.
Fig.3.1.Medii de transmisie ale semnalelor
Următoarele standarde sunt în momentul de față cele mai relevante standarde:
EIB (European Installation Bus)
Este un standard des utilizat în Europa. EIB este disponibil pentru sisteme de alimentare cu energiei , pentru cablu de semnal si pentru radio. Versiunea de cablu de semnal este în prezent cea mai utilizată în casele inteligente.
KNX
Este un nou standard care rezultă dintr-o combinare de trei standarde europene, cu EIB, fiind unu dintre ele. KNX este de așteptat să înlocuiască EIB în viitorul apropiat. KNX este perfect compatibil cu seria EN 50090,un standard european pentru sisteme electronice casnice.
LON (Local Operating Network)
Este un standard privat, utilizat pentru control de energie, sistem de direcție pentru automobile, sisteme de control acces în zone de industrie și cladiri mai mari. Standardul este cunoscut mai ales pentru semnalizarea linie de alimentare, dar e folosit, de asemenea, si pentru cabluri de semnal, cablu coaxial, radio si fibre optice de transmisie.
X10
Este un standard pentru semnalizarea alimentarii, utilizate pe scară largă pentru managementul dispozitivelor electricocasnice. Este, de asemenea, folosit în sistemele de control în case. Protocolul are o gama mica de comenzi, limitat la start și stop.
BACnet
Este un standard dezvoltat în SUA pentru controlul funcțiilor în cladiri mai mari, dar până acum nu a fost observat la sistemele de case inteligente. BACnet comunica cu ușurință cu EIB.
Internet Protocol (IP)
Este folosit pentru comunicarea în și din rețelele locale în timpul programarii și de întreținerii retelelor. IP este, devine din ce în ce mai raspandit și important pentru comunicarea în cadrul rețelei locale.
3.2 Aplicatie practică a BMS cu magistrala Instabus EIB/KNX pentru studiul nostru de caz(casa 2 camere)
Tot mai multe persoane cu venituri peste medie incep să investească in “Smart House” (case inteligente), cu echipamente electronice moderne, controlate de microprocesoare, pentru a le face viata mai frumoasă.
Cine tine la siguranta familiei, la confort, are bani mai multi decat media si mintea deschisă spre nou poate acum să-si transforme casa intr-un paradis desprins parcă din filmele science fiction. Curentul “Smart House” a patruns si in Romania, iar tot mai multe VIP-uri si oameni de afaceri apelează la tehnica pentru a locui intr-o casă mai sigură si, mult mai confortabilă.
O astfel de “Smart House” care beneficiază de un sistem EIB (European Installation BUS) permite actionarea automată la comandă a jaluzelelor, a luminiilor sau a incălzirii. In functie de anotimp sau de vreme senzorii aflati la exteriorul si interiorul clădirii utlilizează la maxim resursele naturale (lumina, caldura), nici securitatea nu este neglijată de acest sistem fiind incorporate detectoare de gaze si temperatură, senzori de miscare si contacte magnetice pentru usi si geamuri. Toate aceste sisteme prezente intr-o “Smart House” au un singur scop: imbunătătirea comfortului a sigurantei si a economisirii resurselor naturale. Traind intr-o lume in care resursele naturale sunt limitate, folosirea lor eficientă este foarte importantă. Pentru indeplinirea acestui scop are loc monitorizarea, comanda si controlul instalatiilor de incălzire, ventilare, climatizare etc., din camere.
Cu ajutorul senzorilor sistemul de securitate se trece automat in regim de functionare economică dacă incaperea este goală sau normală cand este prezentă o persoană. Cu senzorii externi se opreste incălzirea iarna (respectiv răcirea vara) dacă locuinta este goală. Nici iluminatul nu scapă de interconexiuni si control global reglandu-se prin senzori de miscare in functie de prezenta sau absenta persoanelor din incăpere.
Există atat clădiri publice cat si locuinte private care sunt construite intr-un asemenea sistem. Ajunge să intrati in sediul central al firmei Allianz Tiriac din Bucuresti pentru a vedea aceasta. Sistemul a fost astfel creat pentru a reduce costurile de administrare, pentru o clădire de 8 etaje cu 66 de birouri separate si o altă serie de compartimentări, sau sa vizitati vilele rezidentiale care beneficiază de un asemenea sistem prin care controlul iluminării, al incălzirii, ventilatiei aerului conditionat, al jaluzelelor, a sistemelor de securitate si inchiderea centralizată formează un tot unitar. Această unitate este conferită de firmele integratoare de sistem care completează munca pe care o face constructorul. Integratorul de sistem trebuie să cunoască
modelul EIB/KNX , iar gradul de dificultate al integrării sistemului in clădire este
foarte mic, el putand fi instalat inainte de terminarea finisăriilor. Sistemul Instabus integrează si sistemele de securitate ca alarma de incendiu, efractie, scurgeri de gaz, sau alte defectiuni.
Alarmele pot fi anuntate la un punct central (display cu cristale lichide, televizor, etc) dar si la distantă: politie, pompieri, salvare, proprietari.
Pentru că fiecare component Instabus este microprocesat, sistemul Instabus poate părea ceva mai scump. Dar costul mai ridicat al materialelor este compensat de reducerea manoperei, de reducerea cablajului si a instalatiilor care urmează a fi integrate.
Costurile de intretinere si monitorizare vor fi de asemenea scăzute: orice eveniment este automat inregistrat si istoricul evenimentelor poate fi listat periodic. Cel mai important avantaj este reducerea consumului energetic care poate scădea la 60% si chiar 75% atunci cand instalatia Instabus integrează toate functiunile: iluminat, jaluzele, incălzire-climă-ventilatie, detectie de miscare si alarme tehnice.
3.2.1. Despre Instabus EIB
Cerintele tot mai ridicate din punct de vedere al flexibilitătii si confortului referitor la instalatiile electrice, impreună cu dorinta de a minimiza consumul de energie, au dus la un sistem de management pentru clădiri.
La baza tehnicii de BUS utilizată in acest sistem, stă un concept european comun si anume „European Installation BUS”, pe scurt EIB. In acest context numeroase firme producătoare s-au unit in European Installation BUS Association (EIBA).
Firmele membre EIBA asigură compatibilitatea produselor realizate pentru acest sistem astfel că la realizarea aceleasi instalaTii electrice este posibilă utilizarea de aparate ale diferitelor firme producatoare.
Dorinta de a obtine un confort mărit si mai multe posibilităti din punct de vedere tehnic, conduce la o complexitate tot mai ridicată a instalatiilor electrice. In acest sens instalatiile electrice conventionale nu mai fac fată cerintelor.
Sistemul Instabus reprezintă solutia pentru realizarea intr-un mod economic si mult mai simplu a tuturor acestor cerinte.
Sistemele tehnice integrate capabile să automatizeze o clădire au obtinut in ultimii ani o dezvoltare accentuată pe plan european, iar piata romanească a devenit constientă de necesitatea folosirii lor. Aceasta este de inteles, avand in vedere avantajele oferite: o mai bună gestiune a consumului de energie, confort, securitate. Un astfel de sistem este Instabus EIB/KNX produs de firma germană GIRA.
Argumente
In instalatiile conventionale, fiecare functie necesită un cablu de alimentare propriu, iar fiecare sistem de comandă se realizează separat. Cu ajutorul sistemului Instabus, se comandă, se urmăresc si se anuntă toate functiile si secventele de lucru prin intermediul unui cablu comun. Astfel, alimentarea cu energie electrică a consumatorilor se face direct, fără să mai fie necesară trecerea prin elementele de comandă.
Prin utilizarea sistemului Instabus, in afara reducerii necesarului de cabluri rezultă si alte avantaje:
• Instalatiile se realizează mult mai usor;
• Instalatiile pot fi ulterior foarte usor modificate sau extinse.
In cazul in care se doreste modificarea ulterioară a impărtirii in incăperi sau a functiilor participantilor la BUS, sistemul Instabus permite o organizare foarte usoară a acestora prin simpla modificare a parametrilor acestor aparate, fără a fi necesară o modificare a cablajului existent.
Modificarea parametrilor se realizează cu ajutorul unui PC, care se conectează la sistem si cu ajutorul softului de proiectare si instalare ETS (EIB Tool Software), software utilizat si la punerea in functiune a sistemului.
Instabus EIB poate fi conectat cu ajutorul unei interfete si cu elementele de comandă ale altor sisteme de automatizare pentru clădiri (de exemplu sistem de management pentru incălzire, climatizare, ventilatie, etc.) sau la linia telefonică (digitală). Astfel se poate folosi Instabus EIB intr-o casă in care locuieste o familie (se va vedea in continuarea articolului chiar un astfel de exemplu tratat pe larg) cat si in hoteluri, scoli, bănci, clădiri de birou, etc.
Fig.3. 2 – Schema bloc de conectare a componentelor sistemului instabus EIB
Transmisia datelor
Instabus EIB este un sistem descentralizat, comandat pe bază de evenimente, cu transmisia serială a datelor pentru comanda, urmărirea si raportarea functiilor in exploatare.
Printr-un traseu comun, care este cablul de BUS, se realizează schimbul de informatii intre toti participantii la BUS.
In figura 3.2 este prezentată schema bloc de conectare a participantilor la BUS (senzori si elemente de executie) dintr-o instalatie. La Instabus, transmisia datelor si alimentarea participantilor la BUS (cu tensiune continuă care variaza intre 15V si 36V) prin cablul comun de BUS.
Transmisia datelor se face serial, informatia fiind transformată intr-o telegramă si transportată prin cablul de BUS de la un senzor (element de comandă), la unul sau mai multe elemente de executie.
Fiecare participant la BUS primeste in timpul proiectării, cu un software specializat, o adresă fizică proprie, cu ajutorul căreia să poată fi oricand identificat fără echivoc. Pentru dialogul dintre participanti in timpul functionării este insă utilizată adresa logică, numită si adresa de grup. In fiecare telegramă este introdusă adresa de grup de către emitător.
Fiecare receptor confirmă receptarea mesajului atunci cand acesta a fost receptionat. In cazul in care această confirmare nu este receptionată de către emitător, acesta repetă telegrama de maximum trei ori.
Dacă nici in acest caz nu se primeste confirmarea, se intrerupe procesul de transmitere a telegramei, iar eroarea este inscrisă in memoria emitătorului.
La Instabus transmisia datelor nu este separată galvanic datorită faptului că tensiunea de alimentare de 15V a participantilor la BUS este si ea transmisă prin acelasi cablu ca si telegramele. Telegramele sunt modulate pe această tensiune constantă. In acest context 0 logic corespunzand unui impuls, iar lipsa unui impuls fiind interpretată drept 1 logic.
Datele cuprinse in telegrame sunt transmise asincron. Sincronizarea acestor transmisii se realizează prin biti de START si de STOP.
Accesul la BUS ca mediu fizic comun de comunicare prin transmisii asincrone trebuie să fie foarte bine reglementat. In cazul Instabus se foloseste in acest sens metoda CSMA/CA (Carier Sense Multiple Access/Collision Avoidance). Procedeul CSMA/CA realizează accesul la BUS, eliminand coliziunile telegramelor, fără insă a reduce numărul acestora intr-o unitate de timp.
Toti participantii la BUS primesc telegramele dar numai receptoarele cărora le sunt adresate aceste telegrame reactionează. In momentul in care un participant la BUS are de emis o telegramă, el trebuie să urmărească pe BUS dacă un alt participant emite si trebuie să astepte pană cand nici un alt participant nu mai emite (Carier Sense). In situatia in care BUS-ul este liber, oricare participant la BUS poate să initieze procedura de emisie. (Multiple Access). In cazul in care incep să emită doi participanti concomitent, se va impune cel cu prioritate mai mare (Collision Avoidance), al doilea participant retrăgandu-se.
Adresarea
Fiecare scrisoare are nevoie de o adresă pentru ca posta să o poată trimite la destinatie. Intr-un mod asemănător se realizează si adresarea participantilor la BUS.
Fiecare participant la BUS primeste in timpul proiectării cu ETS o adresă fizică proprie, cu ajutorul căreia el să poată fi oricand identificat fără echivoc. Adresa fizică se atribuie in limbaj BUS si se orientează după o schemă topologică a sistemului Instabus EIB.
Pentru dialogul dintre participanti in timpul functionări este utilizată adresa logică, numită si adresa de grup. Aceasta nu este orientată după topologia de BUS, ci după criteriile tehnice si functionale ale sistemului Instabus EIB. In fiecare telegramă este introdusă adresa de grupa de către emitător. Fiecare participant urmăreste pe BUS această telegramă, citeste adresa de grupa continută de telegramă si verifică dacă telegrama ii este adresată sau nu.
In timpul proiectării sistemului instabus EIB cu ETS, se stabileste pentru fiecare participant la BUS, care este adresa de grupa la care el să reacŃioneze. Un participant la BUS care urmăreste telegramele ce circulă prin BUS, receptionează o telegramă numai dacă aceasta ii este adresată prin intermediul adresei de grup. Dacă telegrama nu ii este adresată, participantul la BUS o
ignoră.
Topologia
La cea mai mică unitate a sistemului Instabus EIB, si anume o linie, pot fi conectate pană la 64 de aparate compatibile cu acest sistem (participanti la BUS). Prin intermediul unor “cuploare de linie” care sunt conectate la asa numita “linie principală” pot fi legate pană la 12 linii formand astfel un domeniu.
Prin legarea a 15 astfel de domenii cu ajutorul unor “cuploare de domeniu” la o asa numită “linie de domeniu”, se pot crea unităti mai mari. La linia de domeniu pot fi legate interfete cu alte sisteme (de exemplu sisteme de management pentru partea de incălzire, climatizare, ventilatie, etc) sau cu alte sisteme Instabus EIB.
Chiar dacă intr-o unitate pot fi conectate peste 12000 de elemente (participanŃi la BUS), logica sistemului rămane foarte clară. In timpul functionării nu se ajunge in nici caz la un haos informational, deoarece datorită cuploarelor de linie si de domeniu, accesul telegramelor este permis pe diferitele linii si in domenii numai dacă acolo se găsesc elemente cărora le sunt adresate telegramele respective. In acest sens cuploarele de linie si de domeniu realizează functia de filtrare.
Adresa fizică se orientează după modelul topologic de realizare al sistemului: fiecare participant poate fi foarte usor identificat prin indicarea numărului de domeniu, de linie si de element. Pentru repartizarea participantilor pe functii tehnico-functionale, se impart adresele de grupă in grupe principale si secundare.
La proiectare se pot impărti adresele de grupa prin diferite domenii, in maxim 14 grupe principale cum sunt de exemplu:
• comanda iluminatului;
• comanda jaluzelelor;
• comanda si controlul climatizării, incălzirii si ventilatiei;
In functie de dorinta utilizatorului, fiecare grupă principală poate să continue pană la 2048 de subgrupe.
Adresele de grupă le sunt repartizate participantilor, indiferent de adresa fizică. In acest fel fiecare participant poate să comunice cu oricare altul.
Tehnologia
Fiecare linie de BUS presupune un sistem propriu de electroalimentare a participantilor legati la aceasta.
In acest fel, in cazul căderii unei linii, restul instalatiei poate să functioneze fără probleme mai departe.
ParticipanŃii la BUS sunt alimentati la joasă tensiune, adică la 15Vcc si in functie de tipul sursei, aceasta poate fi solicitată la 320mA sau la 640 mA. Sursa este echipată cu protectii la supratensiune si la supracurent si este astfel protejată impotriva supratensiunilor si scurtcircuitelor. Scurte intreruperi ale alimentării din reŃea (<100ms), sunt compensate de sursă.
Sursele de alimentare debitează tensiunea de alimentare printr-o bobină, care are rolul de a evita scurtcircuitarea telegramelor de date pe linia de BUS, datorită sursei de alimentare.
Incărcarea unei linii de BUS depinde de felul participantilor care sunt conectati la aceasta. Elementele Instabus pot functiona pană la o tensiune minimă de 16V ce absorb in mod uzual din BUS 150mW, iar in cazul in care au in constructie un LED, pană la 200mW.
In cazul in care se montează peste 30 de elemente la mică distantă intre ele (de exemplu intr-un panou) trebuie să se pozitioneze sursa de alimentare in apropierea acestora.
Pe o linie sunt permise maximum 2 surse de alimentare cu conditia ca intre acestea să existe o distantă minimă de 10m (lungime conductor).
In cazul in care este necesar un curent mai mare, se pot lega in paralel două surse de alimentare care să debiteze tensiunea printr-o bobină spre linia respectivă. In acest fel se măreste posibilitatea de incărcare a liniei la 500mA.
Lungimea unei linii impreună cu toate ramificatiile nu trebuie să depăsească 1000m, distanta dintre o sursă de alimentare si un participant la BUS trebuie să fie mai mică de 350m.
Pentru a evita coliziunile dintre telegrame, trebuie ca distanta dintre cei doi participanti la BUS să fie limitată la 700m. Cablul de BUS poate fi montat paralel cu cablul de alimentare cu energie electrică fără să apară perturbări in transmiterea telegramelor. Participantii la BUS se leagă la linia BUS cu ajutorul unor conectori de BUS sau prin intermediul unor contacte cu apăsare. Conectarea prin intermediul contactelor cu apăsare se realizează prin simpla fixare a aparatului respectiv pe sina de BUS.
Participantii la BUS
Fiecare participant la BUS constă in principiu dintr-un cuplor universal de BUS si dintr-un element final de BUS, diferit in functie de aplicatie, care comunică cu cuplorul printr-o interfată de legătură (interfata utilizator).
Cuplorul de BUS primeste telegramele de pe BUS, le decodifică si apoi comandă elemental final de BUS (in acest caz elementul de executie). In sens invers, elementul final de BUS (in acest caz un element de comandă), transmite informatie cuplorului de BUS care o codifică si o transmite sub formă de telegramă pe BUS.
In timpul proiectării si a punerii in functiune, cuplorul de BUS este cel căruia ii sunt atribuiti parametri pentru functiile pe care le trebuie să le indeplinească elementul respectiv. Cuplorul de BUS este dotat in acest scop cu un microprocesor cu o memorie ROM (Read Only Memory), o memorie RAM (Random Access Memory) si o memorie EEPROM (Electrical Erasable Programmable ROM).
In ROM este continut sotware-ul specific sistemului, care nu poate fi modificat de către utilizator. Parametrii pentru functiile de executat de către cuplorul de BUS sunt stocate de către ETS` in memoria EEPROM. In RAM sunt stocate de către microprocesor datele de lucru.
Datorită faptului că organizarea pinilor interfeŃei este diferită in functie de elementul final de BUS, acesta poate să comunice corect cu un cuplor de BUS prin intermediul interfetei respective, numai dacă in memoria EEPROM a cuplorului a fost introdus, cu ajutorul ETS un program corespunzător.
Fig. 3.3 – Schema bloc de conectare a participantilor la BUS
La cea mai mică unitate a sistemului instabus EIB si anume, o linie, pot fi conectate pană la 64 de aparate compatibile cu acest sistem. Prin intermediul unor cuploare de linie care sunt conectate la linia principală pot fi legate pană la 12 linii formand astfel un domeniu. Prin legarea a 15 domenii cu ajutorul unor cuploare de domeniu se pot crea unităti mai mari. La linia de domeniu pot fi legate interfetele cu alte sisteme (sisteme de management pentru partea de incălzire, climatizare, ventilatie, etc.) sau cu alte sisteme Instabus EIB. Schema conectării participantilor la BUS este prezentată in fig. 3.3
Fig. 3.4 – Schema conectarii participantilor la BUS
3.2.2. Proiectarea unei instalatii de BMS pentru o casa de doua camere
Instalatia de iluminat a unei clădiri trebuie proiectată astfel incat să asigure o iluminare necesară activitătilor desfăsurate si totodată un indice de calitate ridicat.
Fig. 3.5 – Tast senzor cu ramă Gira Esprit sticlă pentru comanda iluminatului, actionarea jaluzelelor sau apelarea unui scenariu de iluminat. Pot fi comandate 3 functii diferite.
Prin utilizarea sistemului GIRA instabus EIB/KNX, pentru instalatia de iluminat, aparatele de comandă, numite si tastere, pot fi programate să functioneze in regim intreruptor, cap scară, cruce sau dimmer. Unul singur, cu dimensiunile unui intreruptor standard, poate ingloba pană la 6 intreruptoare clasice (fig.3.5). Dar GIRA Instabus EIB/KNX este si sistem de comandă si
gestionare a subsistemelor integrate intr-o clădire. De la iluminat, incălzire, conditionare a aerului, ventilatie, sonorizare, diverse actionări electrice si pană la planul antiefractie, toate pot fi actionate prin intermediul acestuia.
Functiile de aprindere, stingere sau modificare a intensitătii luminoase, pentru unul sau mai multe corpuri de iluminat, se pot aloca unui număr oricăt de mare de tastere, ulterior, modificarea acestor functii făcandu-se cu usurintă, fără interventii in pereti sau plafoane. In cazul unei clădiri rezidentiale, folosind o singură apăsare de tastă, se comandă un intreg scenariu de iluminat. Aceasta inseamnă că se poate seta aprinderea si stingerea corpurilor de iluminat grupate si aduse la valori diferite de intensitate luminoasă, astfel incat obtinand pentru diverse activităti (vizionarea programelor TV, serate, lectură, etc.) o iluminare optimă.
Datorită utilizării unei tensiuni scăzute pentru reteaua de BUS, si a faptului ca sistemul cuplează sau decuplează complet circuitele de iluminat si prize din tabloul electric, efectul campului electromagnetic asupra organismului uman, generat de circuitele clasice, este eliminate total. De asemenea, in absenta proprietarului din locuintă, prin aprinderea si stingerea zilnică a corpurilor de iluminat folosite frecvent i se poate simula prezenta, ceea ce descurajează
potentialele efractii.
Pentru clădiri de birouri, unde sunt numeroase circuite de iluminat, altă aplicatie utilă este comanda automată a iluminatului in functie de variatia nivelului de lumină din exterior. Pe de altă parte, in spatiile de trecere sau in incintele unde nu se desfăsoară o activitate permanentă, cu ajutorul senzorilor de prezentă se comandă automat aprinderea si stingerea corpurilor de iluminat, astfel realizandu-se economii substantiale de energie.
Alte aplicatii care pot fi integrate in cadrul instalatiei de iluminat, in toate tipurile de clădiri, sunt functiile “Aprinde tot” si “Stinge tot”. In cazul in care in locuintă pătrunde un intrus, sistemul de alarmă sau un senzor de prezentă transmite o comandă prin care toate sau un număr prestabilit de corpuri de iluminat sunt aprinse. Functia “Stinge tot” este utilă in cazul in care, la părăsirea clădirii, se doreste decuplarea in acelasi timp a tuturor corpurilor de iluminat aprinse in acel moment.
Fiecare subsistem lucrează independent, nefiind necesar un “creier central”. Toate comenzile sunt trimise in reteaua BUS, prin intermediul telegramelor specifice fiecărui sistem.
Deoarece fiecare element de comandă sau element de executie are memorie proprie, poate fi adăugat ulterior, iar in caz de defect nu influentează buna functionare a celorlalte componente. Acest aspect permite in functie de cerintele beneficiarului, integrarea in prima etapa a sistemului de iluminat, iar in etapa următoare, integrarea sistemului de incălzire, ventilatie, etc., folosind aceleasi circuite de comandă. De asemenea, oricand, functiile definite in programul initial pot fi sterse si reconfigurate.
In sistemul GIRA instabus EIB/KNX poate fi integrat si GIRA InfoTerminal Touch (fig. 3.6) care este un monitor plat prin intermediul căruia sunt vizualizate informatii despre subsistemele enumerate. Pe acest ecran este definită o listă cu incintele clădirii. In fiecare dintre acestea se poate intra virtual si se pot vizualiza si modifica starile in care se află subsistemele integrate. Prin atingerea ecranului pot fi executate functii cum ar fi comanda aprinderii, stingerii sau reglarea fluxului luminos al corpurilor de iluminat, actionarea jaluzelelor. De asemenea scenariile de iluminat pot fi apelate sau modificate cu usurintă.
Fig. 3.6 – Monitor prin intermediul căruia sunt vizualizate informatii despre subsistemele integrate. Functiile sunt adresate prin atingerea ecranului.
GIRA InfoTerminal Touch asigură un grad de confort ridicat in cazul edificiilor rezidentiale si este foarte util pentru clădirile de birouri si spatii comerciale. Aceasta, deoarece dispecerul are permanent date despre parametrii instalatiilor aferente si poate modifica sau interveni cu promptitudine in cazul in care o doreste.
3.2.3. Planurile de executie a unui sistem BMS cu Instabus EIB/KNX pentru o casa de doua camere
Proiectul exemplificat in continuare se poate aplica foarte usor oricărui apartament cu doua camere in care se doreste implementarea unui sistem BMS folosind o magistrală instabus EIB/KNX de la firma germană GIRA.
Desi initial ne interesa mai mult schema circuitului de comandă Instabus, pentru a observa mai bine cum se integrează aceasta intr-o schemă electrică clasică, in lucrare sunt prezentate toate schemele electrice astfel:
• Plansa E1 – Schemă circuit comandă Instabus;
• Plansa E2 – Schemă circuite priză;
• Plansa E3 – Schemă circuite lumină;
• Plansa E4 – Schemă circuite alimentare motoare jaluzele;
• Plansa E5 – Schemă reŃea audio, TV si voce/date;
• Plansa E6 – Schema Tabloului Electric de Alimentare.
Plansa E1 prezintă chiar circuitul de comandă Instabus EIB/KNX de la GIRA. De la K1 la K5 sunt vizibile cele 5 aparate de comandă de tip tastsenzor cu 6 actionări.
Astfel prin intermediul celor 5 aparate de comandă se pot actiona elementele de executie aflate in diferite camere (camera de zi, dormitor, hol, etc.).
Plansa E2 prezintă circuitul de prize. Circuitele P3 si P4 vor fi integrate in sistemul Instabus.
Plansa E3 prezintă schema circuitului de lumină. L1-L14 reprezintă corpurile de iluminat, iar S1-S2 sunt senzorii de prezentă pe holul exterior, respectiv pe balcon.
Plansa E4 prezintă schema circuitelor de alimentare a motoarelor ce actionează jaluzelele. Cu R1-R8 sunt simbolizate aceste racorduri necesare motoarelor.
Plansa E5 prezintă schema reŃelei audio, TV si voce/date. Cu B1-B4 sunt simbolizate racordurile pentru boxele audio, TV reprezintă priza TV GIRA cod 0046 23, iar T5 priza voce/date.
Plansa E6 prezintă schema Tabloului Electric de Alimentare. Pi=6,5 kW; Cos φ=0.7; Pa=4,8 kW.
Fig. 3.7 , plansa E1 – Schemă circuit comandă Instabus
Fig. 3.8 plansa E2 – Schemă circuite priză
Fig. 3.9 plansa E3 – Schemă circuite lumină
Fig. 3.10 plamsa E4 – Schemă circuite alimentare jaluzele
Fig. 3.11 plansa E5– Schemă retea audio, TV si voce/date
Fig. 3.12 plansa E6 – Schema Tabloului Electric de Alimentare
Notă: Comenzile de aprindere, de reglare si de actionare ale corpurilor de iluminat si ale altor sisteme instalate, se execută in sistem Instabus, CNX/EIB. Fiecare grup de corpuri de iluminat, motor de actionare (specificate in planul de arhitectură) are traseu de alimentare cu energie electrică separat. Prezentul plan se va citi impreună cu schema instalatiei de iluminat si actionări (EIB), planul de retea Instabus, si planul de arhitectură.
4 Studiu de caz: casa montana aflata la 5 Km de reteaua de alimentare
Principiul general care sta la baza dimensionarii instalatiei PV este urmatorul: trebuie intotdeauna de respectat echilibrul intre energia produsa de generatorul PV si energia consumata de utilizator. Acest echilibru se realizeaza pentru o perioada definite, de obicei o zi sau o luna.
Prezenta bateriei de acumulatoare permite compensarea deficitului intre energia produsa si cea consumata, deficit care poate fi din cauza timpului noros sau suprasolicitarii din partea consumatorului.
Dimensionarea unui sistem PV presupune parcurgerea urmatoarelor etape principale:
Calculul radiatiei solare disponibile pe suprafata modulului PV;
Calculul consumului diurn de energie electrica – Ec;
Calculul cantitatii de energie electrica necesara de produs de modulul PV – Ep;
Calculul puterii entice a modulului PV – Pc si alegerea acestuia;
Calculul capacitatii acumulatoarelor – C si alegerea acestora;
Verificarea echilibrului consumului si producerii de energia electrica.
Calculul radiatiei solare disponibile pe suprafata modulului PV.
Unghiul de inclinafie a modulului PV fata de orizont β se determina din conditia asigurarii echilibrului consum / producere energie electrica in lunile cu cea mai mica radiatie solara.
Calculul consumului diurn de energie electrica.
In acest scop, pentru fiecare consumator de curent continuu si alternativ se determina puterea nominala si orele de utilizare zilnica. Consumul de energie electrica, Ec, se determina ca produsul puterii nominale la numarul de ore
Ec= 4.1
unde k este numarul de consumatori de c.c.; m – numarul de consumatori de ca.; Pni , Pnj -puterea nominala a consumatorilor de c.c. si ca.; ti , tj – durata de functionare a consumatorilor respectivi; η , η , η respectiv randamentul regulatorului de incarcare – descarcare, acumulatorului si a convertorului de frecventa. Pentru calcule prealabile η= 0,95-0,98, η = 0,85-0,90, η = 0,85 – 0,95.Valorile duratelor de functionare in zi a utilajelor se decurg din necesitatile declarate ale beneficiarului sau se determina din datele statistice.
Calculul cantitatii de energie electrica necesara de produs de modulul PV. Energia care trebuie sa fie produsa de modulul PV:
Ep=4.2
unde factorul K ia in considerate incertitudinea datelor meteorologice, pierderile in cabluri, abaterea punctului de functionare a subsistemului modul PV – sarcina de la cel optimal, etc. Valoarea factorului K pentru sistemele PV cu baterii de acumulatoare este cuprinsa intre 0,75 si 0,85.
Calculul puterii critice a modulului PV.
Se determine cu formula:
Pc = 4.3
unde G -reprezinta valoarea medie a radiatiei solare globale pe perioada de interes in localitatea data pentru unghiul de inclinatie β a modulului PV. In formula G este numeric egal cu numarul de ore pe zi de radiatie solara standard egala cu 1000 W/m si se noteaza HRS.
In dependenta de puterea Pc alegem puterea unui modul PV si numarul de module conectate in serie:
Ns = 4.4
unde Ucc – este tensiunea nominala a consumatoarelor de c.c; Um – tensiunea nominala a unui modul PV, care de obicei se considera egala cu 12 V.
Numarul de module PV conectate in paralel se determina astfel. Se calculeaza curentul mediu al sarcinii pe parcursul unei zile:
Imed= 4.5
Totodata, din conditia pastrarii balantei de energie intr-o zi, putem scrie
24*Imed*Ucc = HRS*Ipv*Ucc sau Ipv = 24*Imed/HRS 4.6
unde Ipv este curentul panoului PV.
Numarul de module PV conectate in paralel va fi:
Np = 4.7
unde Isc este curentul de scurtcircuit a unui modul PV si se consider^ aproximativ egal cu curentul in punctul M.
Calculul capacitatii acumulatoarelor.
Se determina cu formula:
C= 4.8
unde n este numarul de zile fara soare; KD – coeficientul de descarcare a acumulatorului (0,5 -0,6 pentru Pb-acid si 1,0 pentru Ni-Cd).
Numarul de acumulatoare conectate in serie:
Nas= 4.9
unde UA- tensiunea nominala a acumulatorului, de obicei egala cu 12 V.
Verificarea echilibrului consumului si producerii de energia electrica.
Verificarea se face prin compararea cantitatii de energie electrica, Ei care va fi produsa de panoul PV intr-o zi pentru fiecare luna din perioada de interes cu cantitatea de energie electrica necesara. Calculele se efectueaza cu expresia
Ei=HRSi*Pc 4.10
unde HRSi este numarul de ore pe zi de radiatie solara standard egala cu 1000 W/m2 pentru luna respectiva.Studiul de caz in acest proiect este alimentarea cu energie electrica a unei case aflate la 5 Km de retea , intr-o zona montana , cu ajutorul unui sistem PV.Casa ce are 2 camere , baie , bucatarie , living , va avea
urmatoarele cerinte energetice:
Tabel 1 Consumatori energetici
2. Alegem η = 0,95 si avem doar consumatori de curent alternativ.
Deci Ec va fi
Ec== watti/zi
3.Alegem K=0.85 Ep va fi:
Ep=14613 watti/zi Ep=14.6*30=438 KW/luna
4. G= 6.5h este numarul de ore de radiatie diurna la 1000w/m
Pc==2247 W
5.Curentul mediu consumat de sarcina pe perioada lunii:
Imed=3.62 A
si curentul generat de panou:
Ipv=13.37 A
6.Numarul de module conectate in serie-paralel , fig. 2.3 c
Alegem panoul PV IS4000P cu datele:
Pmax=200w ; Ipmax=7.5 ; Isc=8.3A ; U0=32.8V ; Upmax=26.7V ;
Dimensiuni 1490X985X35 mm; η=90% pe 20 de ani
Em=180*6.5*30=35 KW/luna
Avem nevoie de 14 module conectate in serie paralel.Costul unui modul = 1160 euro.
Suprafata totala a panourilor:
1490*985*14=20547100 mm=20.55 m
7.Capacitatea acumulatoarelor
n=2 , este numarul zilelor fara soare intr-o saptamana ; Kd=0.6 acum. Pb-acid
C=
C==12076 Ah
Alegem 5 acumulatoare 24 OPzS 3000 de capacitate 3000 Ah conectate in paralel.
8.Verificam echilibrul consumului si producerii de energia electrica pentru luna 15 octombrie—15 noiembrie, in care dispunem de cea mai mica radiatie solara – HRS = 4.91 h de radiatie standard.
Ex=30*4.91*2520=371196 Wh/luna
Ceea ce este destul de aproape de consumul lunar de energie electrica
Ec=12421*30=372630 W
5 Analiza economica a proiectului
In zonele unde exista retea electrica, la preturile actuale este mai convenabila racordarea la furnizor. La un kilometru distanta de liniile electrice, situatia deja se schimba, pentru ca tot ce inseamna racordare, la aceasta distanta, adica proiect, materiale si executia acestuia costa in jur de 35.000 de euro. Valoarea unui sistem energetic hibrid, ce foloseste energie eoliana si energie solara pentru a furniza electricitate, incepe de undeva de la 16.000 de euro. In cazul in care nu exista retea de electricitate in zona, cea mai ieftina varianta de producere a energiei este o centrala hidro, daca in zona exista un curs de apa.Un microhidrogenerator furnizeaza cel mai ieftin curent, la 0,8-1,2 euro pentru un watt. O turbina de 1.000 W cantareste cateva kilograme si este mare cam cat un cos de gunoi. Cu toate acestea, poate produce energia electrica necesara alimentarii a trei-patru case, cu un consum rezonabil.
Daca nu exista un curs de apa care sa poata fi folosit, adica cu un debit minim de 20 litri/secunda, electricitatea poate fi obtinuta cu ajutorul unui sistem eolian (1,2-3 euro/W) sau se pot monta panouri fotovoltaice, cu costurile cele mai mari, de 6-9 euro/W. Pentru zilele fara vant sau situatii deosebite, un grup electrogen ce functioneaza pe baza de motorina sau benzina poate prelua alimentarea casei. Orice dispozitiv de producere a electricitatii va alimenta un set de acumulatori, tensiunea de 220 V curent alternativ fiind obtinuta cu ajutorul unui dispozitiv numit invertor, care transforma cei 12 V curent continuu furnizati de baterii. Investitia pentru o casa pentru 3 persoane, de 150 de metri patrati si dotata cu aparate moderne cu consum redus se ridica la 12-20.000 de euro.
Pentru incalzire poate fi folosit tot un sistem combinat, bazat pe panouri solare si o pompa de caldura. Apa calda furnizata de colectoarele solare poate fi stocata intr-un bazin de cateva mii de litri de unde poate fi folosita pentru incalzire sau nevoi menajere. Pentru a incalzi iarna, o pompa de caldura poate fi folosita pentru a „ajuta“ sistemul. Pompa de caldura este un dispozitiv asemanator unui frigider, dar care face cald inauntru si duce frigul in exterior.Spre deosebire de un calorifer electric obisnuit, care cu un kilowatt de curent face un kilowatt de caldura, pompa de caldura face 4 kilowati de caldura, adica este de patru ori mai ieftina decat o centrala electrica si sub costul gazului metan ars intr-o centrala obisnuita.
Problema pompei de caldura este pretul destul de ridicat, in jur de 8.000 de euro pentru un dispozitiv ce poate incalzi casa de 150 mp luata in calcul. Chiar si asa, socotind consumul de combustibil, pompa se amortizeaza in 2-3 ani si, in perspectiva scumpirii inevitabile a gazelor naturale, durata de amortizare se va injumatati peste numai un an sau doi.
Un sistem cu colectoare solare, pompa de caldura si rezervor de acumulare n-ar trebui sa depaseasca 16.000 de euro la preturile actuale. Trebuie spus ca exista si ceea ce s-ar putea numi constrangeri: consumul de electricitate ar trebui minimizat sub toate formele, prin iluminat local, becuri cu consum redus, iluminat cu LED-uri in anumite zone, spalare cu apa rece sau cu apa incalzita cu colectoarele solare, electrocasnice si electronice cu consum redus. Instalatia de aer conditionat poate fi suplinita cu un sistem de tevi de tuburi din material plastic, ingropate la circa 2 metri in pamant, care, ajutat de cateva ventilatoare cu consum redus, poate asigura in casa 21-22 de grade Celsius in miezul verii. Sistemul este fezabil, numai si pentru faptul ca a fost pus la punct de babilonieni cu aproape 4.000 de ani in urma.
Dar la ce bun cheltuieli suplimentare, de zeci de mii de euro, peste costurile de construire a casei? In primul rand, pentru ca accesul la sistemele de utilitati costa oricum si incarca nota de plata a unei cladiri. In al doilea rand, pentru ca instalatiile alternative sunt relativ usor de intretinut si isi pot dovedi utilitatea decenii de-a randul, cu costuri minime. In al treilea rand, scad costurile cu electricitatea si gazele. Si nu in ultimul rand, hidrocarburile se scumpesc permanent si sunt pe sfarsite. E ciudat sa numim petrolul si gazele naturale drept surse de baza si preferentiale, iar soarele doar solutie alternativa, desi fara el viata ar pieri pe pamant. Rezultatele acestui concept se vad pe orice canal media, in primele trei minute de stiri, este vorba de Irak, politica energetica a Rusiei, marea coruptie, preturile impuse.
Cu cele trei minute de stiri ar putea fi luptat macar printr-o implicare mai mare a autoritatilor pentru sprijinirea celor ce aleg sa investeasca sau sa se doteze cu instalatii alternative de producere a energiei, dar si prin modificarea obisnuintelor de acum ale consumatorilor si constructorilor de case.
Dar sa revenim la studiul nostru de caz:
Daca am fi dispus de retea nationala de energie ar fi fost intr-adevar mai convenabil sa ne alimentam de la retea , deoarece:
-panourile sunt garantate sa funtioneze timp de 20 de ani la randament de cel putin 85%
Asta inseamna ca la o putere de 200W producatorul ne garanteaza , ca timp de 20 de ani vom avea o putere de cel putin 170w.
In 20 de ani sistemul nostru PV va debita aproximativ
Et=20*365*6.5*170*14=112931000W=112931KW
Costul sistemului PV este:
Cpv=Cpan+Cinv+Cac=1160*14+3500+5000=24740 euro
-pretul unui Kw de energie conform www.electrica.ro , din reteaua nationala este de aproximativ
Ckw=0.4 ron
Costul energiei debitate de sistemul nostru PV , in cazul in care energia ar proveni din reteaua nationala, este:
Crn=112931*0.4=45172.4 ron = 12341.85 euro
cost ce este considerabil mai mic , de 2 ori mai mic , decat costul sistemului PV , Cpv.
Insa in cazul nostru , in care ne situam la 5 Km de reteaua nationala de alimentare cu energie electrica , situatia se schimba radical.
Costul extinderii retelei nationale pentru 1 Km , cu tot cu proiect , materiale , conectare se ridica la fabuloasa suma de 35.000 euro.Astfel la 5km costul extinderii ajunge aproximativ la 170.000 euro.
In acest caz devine evidenta rentabilitatea instalarii sistemului PV pentru situatia data:
Ctrn=170.000+12341.85=182342 euro
cu tot cu pretul energiei pe 20 de ani incomparabil mai mare decat costul energiei solare a sistemului PV
Cpv=25000 euro
6. Concluzii
1.Există și în prezent conceptia greșită privind tehnologia fotovoltaică, în sensul că sistemele fotovoltaice funcționează numai la lumină solară intensă și că tehnologia de fabricație este prea sofisticată și mult prea scumpă comparativ cu sistemele electrice clasice.
Totuși, gradul tot mai mare de utilizare demonstrează că există o serie de caracteristici ale sistemelor fotovoltaice care le face să se impună:
– există locuri unde sistemele fotovoltaice reprezintă cea mai simplă și ieftină opțiune pentru alimentarea cu energie electrică;
-există o largă varietate de produse dezvoltate pentru utilizarea sistemelor fotovoltaice;
2.Fată de o constructie clasică dar care vrea să fie la fel de modernă ca si constructiile in sistem EIB, economiile de energie sunt următoarele:
• comenzi locale iluminat, jaluzele – 10% economie;
• comenzi centralizate – 15 % economie;
• temporizări, reglare iluminat in functie de iluminatul natural – 25% economie;
• actionare jaluzele in functie de iluminatul natural – 30% economie;
• control climă in fiecare incăpere – 40%.
De fiecare dată cand o persoană intră intr-o incăpere sistemul Instabus actionează automat iluminatul sau ridică jaluzelele sau/si porneste incălzirea, inseamnă că instalatiile de incălzire, climă si ventilatie sunt in corelatie cu luminatul ambiental si cel exterior care la randul său relationează cu actionarea jaluzelelor si obloanelor interioare si exterioare etc., iar rezultatul final al acestor conexiuni este cresterea confortului prin diminuarea semnificativă a consumului
energetic. Ce se intamplă de fapt ? Toate instalatiile care dau atata bătaie de cap cand iti construiesti o casă comunică intre ele realizand o “Smart House” care se autoconduce fără un computer central si care poate comunică prin GSM fibră optică sau internet toate informatiile legate de stările de functionare si poate, in acelasi mod să primească orice comandă de la distantă.
Rezultatul: un confort si un nivel de sigurantă deosebite pentru dumneavoastră in conditiile in care consumul energetic scade cu pană la 60%.
7.Bibliografie
1.”Surse regenerabile de energie:Curs de prelegeri “ .Autori : I.Sobor , D. Caragheaur , S. Nosadze , …;Ministerul Educatiei si Tineretului , Universitatea Tehnica a Moldovei Chisinau; UTM , 2006 380p.
2.Internet:
http://www.revista-alarma.ro/pdf/Aplicatie_practica_a_BMS_cu_magistrala_InstaBus_EIB_KNX.pdf
http://www.tiresias.org/guidelines/smart_home_further_info.htm
http://www.agir.ro/buletine/234.pdf
http://www.intergreen.bizoo.ro/vanzare/37721/Panouri-solare-fotovoltaice
=== New Microsoft Word Document ===
Sisteme Inteligente
Instalatii pentru Cladiri Moderne cu ABB i-bus® EIB
Sisteme de instalatii inteligente
ABB i-bus® EIB este sistemul de instalatii inteligent care respecta cele mai inalte standarde, fiind in acelasi timp orientat catre viitor si foarte flexibil.
ABB i-bus® EIB confera securitate sporita, eficienta economica, comoditate si flexibilitate, atit in cladiri de birouri, cladiri industriale, cit si proprietati rezidentiale.
Functiuni ca iluminatul, controlul jaluzelelor, incalzirea pot fi individual adaptate la cerintele utilizatorului. Modificari ulterioare pot fi usor implementate.
Comutare si comanda – indiferent unde te afli
Cu ABB i-bus® EIB, poti reloca functiile cerute in orice locatie din cladire. De asemenea este posibil sa comanzi instalatia de la distanta, de exemplu prin intermediul telefonului mobil sau prin Internet.
Daca mai multe functii trebuie executate printr-o singura comanda, aceasta se poate realiza fara nici o problema. Cu comanda centralizata si proceduri definite de utilizator, de exemplu, toate jaluzelele pot fi ridicate simultan, iluminarea constanta activata si temperatura reglata separat in fiecare camera; toate prin apasarea unui singur buton.
Securitate in jurul cladirii
Cu ABB i-bus® EIB, functii de securitate profesionale pot fi integrate in sistemul de instalatii al cladirii. Un panou de control al securitatii controleaza toate semnalele legate de senzori si declanseaza alarme. Acest panou poate fi de asemenea comandat comod prin intermediul ABB i-bus® EIB. Semnalele pot fi vizualizate in orice locatie.
Automatizari necesare?
In instalatiile utilizind ABB i-bus® EIB functiile nu sunt executate numai prin comanda manuala directa.
Utilizind sisteme de control, utilizatorul poate preselecta un profil individual pentru temperatura camerei sau nivelul de iluminare, care pot fi permanent reglate la o valoare ceruta.
Programe temporizate sunt recomandate pentru evenimentele care se repeta regulat.
Jaluzelele exterioare pot fi inchise automat daca vintul devine prea puternic.
ABB i-bus® EIB monitorizeaza cladirea si poate, de exemplu, izola circuitele electrice in caz de incendiu, sau poate monitoriza consumul energetic.
Modificarea configuratiei
Biroul a devenit o sala de conferinte? Etejul superior a devenit un apartament separat? Functiile instalatiilor cladirii trebuiesc modificate?
Modificari ca cele de mai sus pot fi usor realizate cu ABB i-bus® EIB. Trebuie doar sa reprogramezi si functiile sunt adaptate noilor cerinte.
Esti informat…
ABB i-bus® EIB face posibil ca informatiile curente referitoare la instalatiile cladirii sa fie afisate permanent.
Poti vedea instantaneu in ce camere sunt luminile aprinse, ce usi si ferestre sunt deschise.
Valorile masurate pot fi afisate pe un display iar semnalele de alarma te informeaza despre posibilele pericole din cladire.
Daca cineva a uitat lumina aprinsa, poti sa o stingi de la un terminal, fara sa fie nevoie sa te delasezi.
instabus -sistemul Siemens pentru casa care gandeste
Siguranta, consum redus si confort: instabus o singura notiune pentru toate aceste cerinte! Imaginati-va casa Dvs. cu mai multe camere, living, baie, dormitor, birou, bucatarie si garaj: toate sunt prevazute cu instalatii electrice, incalzire, ferestre, aparate electronice, pe care trebuie sa le aveti in vedere clipa de clipa. Sistemul instabus face toata munca in locul Dvs., supravegheaza, conecteaza si deconecteaza cand este cazul sau cand a fast programat sa o faca.
Dar sa vedem ce inseamna de fapt sistemul instabus? In ultima perioada cerintele de confort au crescut, au aparut sisteme de automatizari, dimmere pentru iluminat, senzori de miscare si prezenta la infrarosu sau ultrasunete, detectori de gaze, diverse programatoare si temporizatoare, dar in acest fel avantajul unui singur supervizor se pierde si, de cele mai multe ori instalatiile devin complicat de complexe. De exemplu, daca se decide executarea unei instalatii de iluminat care sa raspunda la cereri diverse, care pot sa apara simultan (programare de timp+prezenta persoanelor in incapere+scenarii de iluminat) sau pornirea si oprirea centralei termice in functie de a temperatura dorita in incapere, tinandu-se cont de ora si de temperatura de afara, atunci complexitatea circuitelor va fi deosebit de mare, posibilitatea de a se interveni asupra fiecarei grupe va fi problematica iar solutia ar consta in "mii" de cabluri care cu greu pot fi stapanite.
Sistemul instabus rezolva problema. In vreme ce instalatiile "clasice" presupun cabluri speciale pentru fiecare sistem de automatizare – clima, iluminat, efractie, etc – sistemul instabus realizeaza semnalizarea, comanda, controlul si monitorizarea tuturor instalatiilor din cladire printr-un singur cablu comun.
instabus reprezina un sistem descentralizat pentru managementul cladirii: semnalele si comenzile se schimba direct intre aparate (intrerupatoare, senzori de miscare, ventilatoare, alarme, etc). Fiecare componenet instabus este capabil sa dea si sa primeasca/execute comenzi prin unicul cablu de "bus".
Selectia circuitelor de iluminat precum si posibilitatea dimmarii nivelului de iluminat permite crearea a nenumarate scenarii: "privesc la televizor", "citesc", "dorm", etc, scenarii pe care fiecare beneficiar si le poate alege si, ulterior, modifica.
Sistemele cu infarosu permit actionarea iluminatului, climei si a jaluzelelor de la distanta.
Orice instalatie: iluminat, clima, jaluzele si orice aparat electrocasnic poate fi pornit/oprit in functie de prezenta in incapere, de nivelul de iluminat exterior, de anotimp si de ora, si programarea lor se poate modifica fara nici a problema.
Diversele scenarii si aranjamente de iluminat sunt aplicabile si la galerii si expozitii, fara restrictie de numar si tip de lumini, de puterea necesara si de pozitia lor.
Obloanele exterioare pot fi actionate nu numai sus-jos ci poate fi ajustata si pozitia lamelelor; aceasta poate fi controlata de nivelul de iluminat natural dar si de o statie meteo care poate automat stringe jaluzelele exterioare in cazul unei furtuni iminente. Senzorii de prezenta in incaperi pot declansa iluminatul si instalatiile de clima; cind incaperea este goala, lumina se stinge automat si instalatiile de clima trec in regim economic.
Cind parasiti locuinta, cu o singura apasare de buton puteti deconecta toate aparatele "uitate in priza", puteti stinge toate luminile si puteti porni sistemul de securitate concomitent cu programul de simulare a prezentei in casa.
Sistemul instabus integreaza si alarmarea la efractie, incendiu, scurgeri de gaz, monoxid de carbon sau alte defectiuni. Alarmele pot fi anuntate la un punct central (display cu cristale lichide, televizor, etc) dar si in distanta: politie, pompieri, salvare, proprietari.
Pentru ca fiecare componenet instabus este microprocesat, sistemul instabus poate parea ceva mai scump. Dar costul mai ridicat al materialelor este compensat de reducerea manoperei, de reducerea cablajului si a instalatiilor care urmeaza a fi integrate.
Costurile de intretinere si monitorizare vor fi deasemnea scazute: orice eveniment este automat inregistrat si istoricul evenimentelor poate fi listat periodic. Cel mai important avantaj este reducerea consumului energetic care poate scadea la 75% si chiar 60% atunci cand instalatia instabus integreaza toate functiunile: iluminat, jaluzele, incalzire-clima-ventilatie, detectie de miscare si alarme tehnice. In plus fata de reducerea de cablaj, sunt si multe alte avantaje: instalatiile instabus sunt foarte simple, usor de modificat si de extins. Cablajul implica si diminuarea pericolului de incendiu. Orice modificare a sistemului instabus implica doar reconfigurarea aparatelor, fara demontarea si remontarea lor.
Componentele EIB permit realizarea automatizarii si managementului pentru cladiri deosebit de complexe: birouri, hale, scoli, hoteluri, spitale. Dar marea flexibilitate a aplicatiilor permite folosirea lor si in cladirile rezidentiale pentru sporirea confortului si sigurantei acestora.
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Casa Inteligenta cu Microcentrala Fotovoltaica (ID: 161182)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.