Control inteligente de tu energía solar: IOT aplicado a paneles solares híbridos

Comunicación presentada al IV Congreso de Edificios Inteligentes

Autores

• Dra. Raquel Simón Allué, Ingeniera en I+D, EndeF Engineering
• Óscar Puyal Latorre, Ingeniero de IoT, Dpto. Monitorización, EndeF Engineering
• Dra. Isabel Guedea Medrano, Project Manager, CEO, EndeF Engineerin

Resumen

Los paneles solares híbridos se caracterizan por generar energía térmica y fotovoltaica en un mismo panel. Esta producción dual optimiza el espacio disponible en cubierta, permitiendo generar hasta un 40% más de energía por metro cuadrado que ambas tecnologías por separado. En este trabajo presentamos el primer sistema de control híbrido, MeshControl, capaz de monitorizar y regular la generación térmica y/o eléctrica de la instalación solar en función de los perfiles de demanda y requerimientos del usuario en cada momento. Dicho sistema se basa en los principios de la tecnología libre y en el concepto de Internet de las Cosas para diseñar un control aplicado al campo de la energía. La integración de los primeros supuestos de este control en una instalación híbrida ha producido un aumento del 11% en la generación de energía de un caso tipo planteado, aumento que asciende al 66% al comparar con los sistemas solares tradicionales.

Palabras clave

Energía Solar, Panel Solar Híbrido, Monitorización, Control Inteligente, Internet de las Cosas, Eficiencia Energética

Introducción / Antecedentes

La Directiva Europea 2010/31/UE establece que todos los edificios nuevos construidos en la Unión Europea a partir de 2020 deberán ser edificios de consumo energético casi nulo, promoviendo la mejora de la envolvente térmica, la producción in-situ de energía renovable y la instalación de equipos de alta eficiencia energética. El cumplimiento de estos compromisos requiere una mayor generación de energía renovable en el sector de la edificación mediante tecnologías limpias y asequibles económicamente, entre las cuales la energía solar sobresale como una de las alternativas más prometedoras. Desde el comienzo del desarrollo de la tecnología solar, se han diferenciado dos tipologías de paneles: los módulos fotovoltaicos que generan electricidad y los colectores térmicos que calientan agua. De la combinación ambas tecnologías surgen los paneles híbridos, que se distinguen por ser capaces de transformar la irradiación solar en electricidad y calor de forma simultánea, superponiendo ambas tecnologías en un mismo panel.

El panel híbrido es comúnmente conocido como PVT, de sus siglas en inglés (Photovoltaic/Thermal). Aunque su origen se produjese en la década de los 70, no fue hasta años más tarde que el desarrollo de la técnica y el abaratamiento de la energía solar fotovoltaica permitió que el panel solar híbrido alcanzase viabilidad comercial. Su desarrollo está motivado por tres conceptos diferentes que convergen hacia la misma solución tecnológica: un mejor aprovechamiento de la irradiación solar, refrigeración del laminado FV para mejora de su eficiencia y optimización de espacio en cubierta (Michael et al., 2015).

La doble producción energética de los paneles híbridos presenta también una ventaja clave: permite al usuario utilizar mecanismos de control para fomentar la generación de energía térmica o eléctrica dentro de una misma instalación solar. Hasta el momento, los sistemas de control solar disponibles en el mercado estaban destinados a la medición y regulación de las instalaciones térmicas o eléctricas por separado (Resol, SolarLog, etc), no existiendo ningún producto en el mercado aceptable económicamente capaz de monitorizar y controlar ambas contribuciones en un mismo dispositivo. Sin embargo, la irrupción en el mercado de la tecnología solar híbrida abre una nueva ventana en el campo de la regulación solar, ya que permite favorecer la producción de cada tipo de energía mediante la actuación sobre parámetros internos de funcionamiento tales como el caudal, inclinación, temperatura de servicio, etc. A día de hoy, este control se ejecuta de manera pasiva en las instalaciones híbridas, utilizando datos recogidos de la monitorización de las condiciones ambientales y del propio sistema para actuar sobre sus componentes (bomba o aerotermo) con el fin de proteger ante sobrecalentamientos o congelación.

En este proyecto se propone avanzar un paso más en estado de la técnica, aprovechando el enorme potencial de las tecnologías emergentes y el internet de las cosas para ejercer un control inteligente sobre la producción energética de una instalación solar híbrida. Para ello, se plantea el diseño y fabricación de un nuevo sistema de control y monitorización especialmente adaptado a las necesidades de las plantas de paneles solares híbridos, que se sirva de los perfiles de consumo específicos de cada usuario, así como de las previsiones meteorológicas o del precio del kWh eléctrico y térmico, para gestionar el funcionamiento de la instalación híbrida. Este sistema de control se encuentra todavía en fase de desarrollo y se confía tener un prototipo listo en los próximos meses. Los beneficios de dicho control repercutirán no solo en un mayor aprovechamiento energético de la instalación, sino en una mejor gestión de la producción que conlleve un ahorro económico en la factura final.

Descripción de la Solución

El equipo que aquí se presenta se recoge bajo el nombre de MeshControl, en el que se engloba tanto un dispositivo físico como un espacio virtual alojado en la nube. MeshControl se plantea como un sistema de gestión inteligente especialmente orientado al tratamiento de instalaciones híbridas.

Relación con el sistema

Para asegurar su correcto funcionamiento, el sistema se nutre de información obtenida de tres fuentes distintas, que constituirían los inputs del sistema:

• La propia instalación híbrida: una serie de sensores colocados estratégicamente en puntos de la instalación suministran datos de funcionamiento de la misma, lo que se conoce como la fase de monitorización. En esta fase se recogen datos de temperaturas y presión del fluido, entrada y salida de paneles, temperatura de almacenamiento o datos ambientales medidos a tiempo real entre otros. Además de aportar información que sirva como punto de partida del software, estos valores medidos a tiempo real en la instalación permiten localizar posibles fallos de funcionamiento, originados por fugas eventuales, sobrecalentamientos o daños físicos.
• Usuario final: los datos referentes al perfil de consumo particular de cada usuario influyen directamente en la eficiencia del sistema, ya que condicionan la descarga energética de los paneles modificando su funcionamiento. Por ello, además del perfil inicialmente impuesto por el usuario, el sistema irá recopilando datos del consumo diario de ambos tipos de energía, localizando las horas de máxima y mínima demanda, con los que se generará un patrón de consumo específico del usuario que se irá realimentando progresivamente.
• Internet: la herramienta se conectará diariamente a internet con el fin de obtener una previsión meteorológica de los días inmediatamente posteriores al estudiado y almacenará los datos correspondientes a la radiación solar y temperaturas proporcionados por una fuente de confianza, por ejemplo AEMET. También se prevé consultar y almacenar el precio por kWh eléctrico y su previsión de cambios.

Por otro lado, el sistema de control tiene también la también capacidad de influir y actuar sobre el entorno que le rodea, modificando el modo de funcionamiento de la instalación sin alterarla físicamente. Dentro de estos parámetros modificables por el control, que denominamos outputs del sistema, se encuentran:

• Ratio de generación eléctrica/térmica: aunque ambas contribuciones estén siempre presentes en una instalación híbrida, se puede potenciar la generación de uno u otro tipo mediante la alteración del caudal de fluido que circula por la instalación. El caudal de fluido es por tanto uno de los parámetros clave que controla el MeshControl, ya que no solo condiciona qué tipo de energía se quiere potenciar sino también la temperatura de servicio que pueden ofrecer los paneles. Un aumento de caudal supone retirar más calor de la placa fotovoltaica, lo que maximiza la generación eléctrica aunque penaliza, a su vez, la temperatura máxima de servicio con la que se alimenta el depósito de almacenamiento. El software MeshControl es capaz de determinar el punto óptimo de funcionamiento en función del consumo energético del cliente y la predicción de irradiación de los días posteriores y puede actuar sobre la instalación mediante una señal a la bomba de caudal variable del circuito hidráulico. Gracias a la influencia que el caudal puede ejercer sobre la temperatura de salida del fluido, este control también puede contribuir a la protección de la instalación frente a sobrecalentamientos.
• Sistemas de almacenamiento: el accionamiento del caudal influye en la temperatura de salida de los paneles, que a su vez condiciona la temperatura máxima a la que va a ser capaz de almacenar el tanque. En función de la necesidad de ACS del usuario, se puede establecer el nivel de almacenamiento térmico óptimo para no tener que evacuar calor por la noche. Además, en aquellos casos en los que se incluyan baterías, el software MeshControl puede decidir si la generación eléctrica de los paneles es almacenada en baterías o utilizada directamente para el consumo del usuario. Esta decisión, basada en los datos de consumo, previsión atmosférica y precios de kWh, estaría orientada a un ahorro económico por parte del usuario.
• Conexión a red: en aquellas instalaciones en las que esté permitido o ante futuras modificaciones de la ley actual, el software de control podrá decidir también la posibilidad de verter electricidad a red en aquellos días donde haya excedente de generación.
• Accionamiento de dispositivos: el control inteligente permite también accionar dispositivos a distancia que requieran una señal eléctrica para cambio de estado. Dentro de estos elementos se encuentran disipadores de calor, válvulas de tres vías o seccionadores de corriente, cuyo objeto principal es el de proteger la instalación ante sobrecargas eléctricas o térmicas.

Todas estas medidas estarían orientadas a proporcionar un ahorro económico por parte del usuario de la instalación. Sin embargo, dada la flexibilidad del software situado en la nube se podría modificar en función de las necesidades particulares del cliente.

Descripción de la arquitectura

El sistema de control inteligente MeshControl está formado por una serie de componentes que abarca desde los sensores y actuadores anteriormente nombrados, al software y hardware de la unidad interior. La tecnología de la que se compone MeshControl es abierta, permitiendo y facilitando su acceso a fabricantes e instaladores que quieran implementarla en sus sistemas. La licencia bajo la que se distribuirá el producto es GPL (General Public License), lo que garantiza la colaboración entre los usuarios y redunda en una mejora continua del sistema.

Hardware

Siguiendo los principios de la tecnología abierta, el hardware del proyecto se ha desarrollado bajo licencias libres de manera que esta solución se pueda replicar en otras aplicaciones o modificar para adaptarlo a las necesidades específicas de una instalación. Por ello, el hadware específico desarrollado para este proyecto está basado en los microcontroladores de Atmel, que son el corazón de Arduino. Para los módulos que necesiten prestaciones más altas se usa la Raspberry Pi y el hardware Olimex.

El dispositivo físico que se dispondrá en cada instalación solar está basado en una PCB (Printed Circuit Board), a la cual se ha integrado uno de estos microcontroladores que se encarga del control de la información. Junto al microcontrolaador se incluye también el integrado ESP 8266, fabricado por Espressif, un módulo WIFI de fácil manejo y muy económico, capaz de conectar cualquier dispositivo a la red y cuyo uso se está extendiendo notablemente en las soluciones de IoT. Este chip es por tanto el encargado de transmitir la información recibida a la nube.

Software

La información obtenida a través de los distintos canales de entrada se almacena en una base de datos localizada en la nube, concretamente en un servidor habilitado para cada instalación. La transmisión de información desde la fuente local al servidor se realiza mediante protocolos Restful y Mqtt, este último muy usado en soluciones IoT debido al poco consumo de recursos que conlleva. A diferencia de otros sistemas de control, diseñados para sistemas solares, el software específico de MeshControl se aloja directamente en el servidor, de manera que la información recibida es procesada directamente ahí. Este hecho constituye una ventaja fundamental, ya que facilita su acceso desde cualquier punto con conexión a internet a la vez que se favorece la integración con otros servicios que alojados en la nube. El servidor desarrollado está basado en PHP y JavaScript que permiten tanto al técnico responsable como al usuario final acceder directamente a sus datos registrados, visualizar estadísticas y consumos o modificar parámetros de funcionamiento del sistema. Para ello, se ha tomado como referencia el software Emoncms, el cual se ha modificado para cubrir las exigencias de los sistemas solares híbridos.

La comunicación entre el servidor y actuadores se ejecuta también mediante protocolos Restful y Mqtt. Se ha hecho especial hincapié en el uso de protocolos web y redes WIFI con el fin de aumentar la flexibilidad del sistema de control, ya que de esta manera se reducen las infraestructuras de cableado y sus problemas típicos asociados. Además, actualmente los dispositivos WIFI son una tecnología robusta, extendida y de precio muy competitivo, que junto con el envío de información mediante protocolo Mqtt redunda en un consumo de energía muy reducido.

La implementación del servidor en la nube respalda directamente la premisa del Internet de las Cosas, ya que la información se recibe, se muestra y se gestiona desde internet. Este tratamiento presenta varias ventajas clave sobre otros sistemas de control efectuados en tecnologías solares.

En primer lugar transporta el sistema de control fuera de la instalación física, lo que evita el traslado del técnico especialista hasta el entorno real cada vez que haya que ejecutar una modificación o reparar una avería. Por contra, ese control se lleva a un entorno en la nube que es fácilmente accesible por todos los agentes (técnico, instalador, usuario final) y al que se puede llegar con una simple conexión a internet. Al crear un servidor para cada instalación se reduce el riesgo de provocar problemas que afecten a un gran número de usuarios, mientras que se favorece por otra parte, la adecuación del software a las necesidades de cada instalación en particular. Por último, generar un entorno en la nube donde el usuario final pueda revisar periódicamente la producción y consumos de su vivienda, ayuda a visualizar y a tomar conciencia de su propia gestión energética y de los beneficios obtenidos mediante el control inteligente de la instalación solar, lo que puede contribuir a aumentar la confianza en dicha tecnología.

La robustez del sistema

Los microcontroladores, que recopilan la información de la red de sensores y ejecutan las acciones, leen del sistema en la nube cual debe ser su comportamiento (actualizan su software) lo que protege a MeshControl contra fallos en las comunicaciones o en el propio servidor. Esta característica proporciona un sistema robusto que funcionará ante cualquier contingencia y que a la vez se beneficia de todas las ventajas de estar en la nube.

Escenarios – Caso de estudio

Aunque el sistema de control se encuentra todavía en fase de desarrollo (prototipo), sí se ha podido efectuar una aproximación preliminar del efecto que tendría aplicar el control inteligente sobre un caso de estudio tipo con altas demandas térmicas y eléctricas. Para ello, se ha elegido un hotel 4* situado en Barcelona con capacidad para 150 personas, cuyas demandas térmicas y eléctricas son conocidas. La instalación solar se sitúa en cubierta, con orientación sur y una superficie útil de 163 m². Se plantea la comparativa de producciones cubriendo la superficie útil con:

• Instalación tradicional: 40 colectores térmicos + 50 módulos fotovoltaicos
• Instalación híbrida: 100 paneles solares
• Instalación híbrida + MeshControl

Para todos los casos se ha supuesto la misma superficie de captación últil. En los colectores térmicos y la instalación híbrida sin MeshControl, se considera caudal nominal fijo, mientras que al incluir el sistema MeshControl se permite la regulación inteligente del caudal con el objeto de adecuarse mejor a la demanda final. Para el cálculo de ahorro económico y de emisiones de CO₂ se han tenido en cuenta los datos oficiales publicados para España en 2017, tomando como referencia los precios del gas natural y la electricidad proporcionados por Eurostat (Eurostat – Statistics explained: Electricity price statistics – Datos de 2017 / Eurostat – Statistics explained: Natural gas price statistics – Datos de 2017); en el primer caso y los fijados por el Ministerio de Agricultura y Pesca, Alimentación y Medio Ambiente para el segundo.

Resultados y datos obtenidos

Para comparar los tres casos de estudio se han utilizados valores de producción energética medidos anualmente, aunque sus beneficios se puedan mostrar también a partir de perfiles diarios. Los perfiles de demanda y producción energética se muestran en la Figura 5 para un periodo anual y los resultados numéricos se recogen en la Tabla I.

En base a lo expuesto en esta tabla, se observa un notable incremento de la producción térmica y eléctrica al implantar la tecnología híbrida frente a los sistemas solares tradicionales de colectores y laminados fotovoltaicos, incremento que se ve mejorado al implantarse en la instalación híbrida los primeros principios del sistema de control MeshControl.

A partir de una misma superficie de captación, se observa que los paneles híbridos son capaces de producir un 22% más de energía térmica y más del doble de electricidad que ocupando dicha superficie con paneles tradicionales. Como resultado, la energía generada por m² asciende en un 42%. Este aumento de producción se ve directamente reflejado en dos factores clave, como son el ahorro económico anual obtenido por el usuario y la cantidad de emisiones de CO₂ evitadas a la atmósfera en dicho periodo. En ambos se observa un aumento drástico del ahorro al implementar la tecnología híbrida, que se verá reflejado en una disminución del retorno de la instalación a la mitad de tiempo. Al introducir el control inteligente en la instalación de paneles híbridos, se produce también una mejora sobre todo visible en la generación de energía térmica. Al regular el caudal y adaptarlo a la demanda energética del hotel, se consigue generar un 13.5% más de energía úti con la que abastecer al sistema. Gracias a esa regulación del caudal, se produce también un efecto refrigerante en las células FV que mejoran su producción en un 6%. Aunque todavía no se han podido introducir las mejoras provenientes de la previsión meteorológica o la gestión del almacenamiento en batería, se muestra como sólo regulando el caudal de la instalación híbrida se consigue aumentar su generación de energía en un 11%, porcentaje que se espera aumente hasta un 15-20 % en la fase final del desarrollo.

Conclusiones

En este trabajo se presenta el desarrollo de un sistema de control inteligente orientado al tratamiento de instalaciones solares híbridas, capaces de generar energía térmica y fotovoltaica enel mismo panel. Dada la dualidad de esta producción, se pueden alterar parámetros de forma remota de manera que la generación de energía se adapte a perfiles de consumo específicos de cada usuario, optimizando su rendimiento y redundando en un ahorro directo al usuario final.

Para ello, se ha diseñado un sistema de control que abarca desde los sensores físicos a introducir en la instalación, al hardware y software desarrollado específicamente para esta aplicación. El sistema se ha basado en los principios de la tecnología libre y en el concepto de Internet de las Cosas, aplicado en este caso a la generación energética. Si bien el sistema se haya todavía en fase de desarrollo, se ha comprobado que al aplicar los primeros principios de regulación del caudal en un caso tipo de instalación híbrida, se consigue mejorar su producción energética en un 11%. Esta mejora en la producción va asociada a un ahorro económico del 9%, con su consiguiente reducción en el tiempo de retorno de la instalación, y una disminución total de las emisiones de CO₂ del 10% frente a la misma instalación sin sistema de control MeshControl. En la fase final de desarrollo del prototipo se espera introducir datos procedentes de la red, de manera que el sistema de control considere la previsión meteorológica o perfiles medios de consumo del usuario para mejorar su regulación. También se plantea actuar sobre almacenamientos de energía externos (térmicos o eléctricos) para fomentar el ahorro económico.

Referencias

• Michael, J. J., Iniyan, S., & Goic, R. (2015). Flat plate solar photovoltaic-thermal (PV/T) systems: A reference guide. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 51.