Hackaday.io上的树莓派项目-离网太阳系监测
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Hackaday.io上的树莓派项目-离网太阳系监测
关于项目
项目描述:2013年5月,我决定用离网光伏系统来装备我的房子。我的主要目标是成为尽可能独立的网格。当然,由于我地区冬季(11 月至次年 2 月)缺少阳光,目前无法实现完全独立。然而,我的计算预测,我的设置应该能够提供高达80%的需求,我的房子全年。此外,如果夏季(6月、7月和8月)产生的剩余能量能够储存起来,供以后在冬季使用(就像松鼠用坚果一样),那么完全独立是可以实现的。这些令人鼓舞的数字帮助我决定执行这个项目。最后,但最不重要的一点,如果没有一个全面的远程控制和监测系统,这个项目是不可能完整的。下面您将找到电气设置(能源生产)和监控系统的描述。
项目图片
一般描述
我的PV(光伏)系统包括以下主要部件:
由 16 个太阳能模块(提供 4300 Wp(瓦 - 峰值)电力的太阳场
太阳能电池充电器将 120 V 面板输出电压转换为 48 伏特电池电压
铅酸电池组在夜间提供能量
逆变器将电池提供的 48 VDC 电压转换为 230 VAC - 50 Hz 的家用电器
一个家庭制造的在线源选择器, 能够在 20 ms 内在太阳能和电网电源之间切换
它是如何工作的
在白天,太阳场的960个细胞将太阳光子(光子)转换成电。此转换的效率为 17%。这似乎是一个糟糕的数字,但随着太阳能发电可以达到1000 W/m2,现场产生4300瓦在这些条件下。这相当于7匹马的力量。没那么糟!太阳能电池板是英利熊猫270Wc模块。
电池充电器将来自太阳能场的高压(120 伏直流)转换为 48 V 直流,适合电池充电。由于太阳能光功率不断变化,充电器会持续跟踪最大功率点,以优化系统的屈服率。电池充电器还管理电池的充电过程。此设备是系统最精细的部分。充电器是维克特龙蓝色太阳能充电器150/70 MPPT。
电池在白天加载,在夜间放电。它可以存储高达 10 KWh 的电力。这足以消费一天。这是一个很短的时间,但它的重量仍然是500公斤(1~2吨)。我预计我的电池的寿命至少为 7 年。电池为 8 Vipiemme 12V/230 AH 半固定电池。在不增加重量和尺寸的情况下增加电池组容量是未来面临的一个重要挑战。
逆变器将 48 VDC 电池电压转换为 230 V 交流。逆变器的额定功率为5KW永久,5分钟内为10KW。由于这个大评级,我们可以使用所有的经典"能量吃"家用电器,如电动厨房烤箱,洗碗机,洗衣机,甚至烘干机。当逆变器提供 10 KW 时,电池电流可能会攀升至 200 安培。逆变器是威斯特龙凤凰48V/230V 5KVA逆变器。
电网是公共电网。在法国,电力主要由法国电力公司提供和分配。核电站目前发电量占法国电力的85%。在我看来,电力(非常)便宜:大约0,12€/KWh。人们可以打赌,一旦该拆除许多法国破旧的核电站,这个价格就会上涨很多。我们的孩子可能得付账。
源选择器几乎可以瞬间(小于 20 ms)在太阳能和电网能源之间切换。这确保了能源来源的变化通常对房屋居民来说是难以察觉的。这还可以防止 PC 和电子设备崩溃。当电池放电过,不能继续使用太阳能时,或者电池在沉闷一天后再次充电时,将发生源切换。源选择器的设计可防止太阳系与网格在任何时间平行。源选择器是完全个人设计。
完整的太阳场
中心底部的小面板是测量面板。此面板可随时测量可用的太阳能。
监控系统
我的目标是准确获取系统任何阶段存在的每一个电压和电流。由于使用单个采集板很难实现,因此我决定为系统的每个主要部分使用专用采集板设计分布式架构。板之间的通信由以 500 Kbits/s 的速度工作的 CAN 总线执行。
监控系统包括以下模块和板:
太阳场辐照度和温度模块 (SFIT):连接到专用的小型测量光伏面板。测量可用的太阳能(辐照度)和磁场温度。
光伏现场监测板:获取由4个4个面板组成的太阳能组件提供的电流和电压。充当 CAN 总线和串行端口之间的网关。
树莓派 :获取 CAN 总线上的可用数据,并将它们存储到数据库(RRDtool) 中。托管MyPV Web 服务器。Rpi 连接到我的家庭以太网网络。
光伏电池监视器板 (PVBM):获取电池电压、电流和温度。根据电池的充电状态管理 MyPV 和 Grid 电源之间的自动开关。此模块配备 Wifi 模块,充当 CAN 总线和以太网之间的网关。
在线源选择器 (OLSS): MyPV 电源和电网电源之间的切换时间不到 20 ms。此设备通过 CAN 总线消息进行控制。
以下图显示了如何围绕 CAN 总线组织 :
人机接口 (HMI)
监控子系统的主板和模块都没有与用户提供任何接口(只有一些活动 LED)。
这是故意的:由于此系统应进行远程控制和监督,因此必须通过一些"最新"的远程功能手段(如 Android 应用程序和/或 Web 用户界面 (WUI))提供整个 HMI。从这个角度看,在地方HMI上做出的任何努力都是没有成效的。
事实上,我在过去一年开发了这两种类型的接口:
PV系统管理器(PVSM)Android应用程序:此应用程序为用户提供与系统的"实时"交互。此应用程序适用于本地和任何地方,只要互联网接入可用。这是一个真正的"点对点"应用程序。它一次只能在一台设备上运行。因为它允许控制系统,这个程序是私人的,永远不会在谷歌播放:-) 可用。然而,Java项目是开源的。
MyPV网站:这个动态网站是由一个专门的树莓派托管。内置的 RRDtool 数据库可捕获 CAN 总线上可用的数据,时间为分钟。Python 脚本创建有价值的图表,允许用户"一目了然"地计算出系统的状态。"选择"选项卡允许访问"自定义酿造"图表。用户可以在 40 个不同的数据中选择显示。
Android PVSM 应用程序在 10" 平板电脑上执行
项目组件
1X太阳场辐照度和温度模块 (SFIT)
1X光伏现场监视器板 (PVFM)
1X数据库和 Web 服务器
1X光伏电池监视器板 (PVBM)
1X在线源选择器 (OLSS)
为了提高我的系统的电池容量,我买了1050个新的锂离子电池。
全新的平衡模块安装在锂离子模块的顶部
新的锂电池已经运行了一个星期了。
锂离子电池组的第一次充电/放电周期
新的锂离子电池组昨天进行了第一个循环。电池的行为是完美的
我已经购买了所有必要的东西,以建立一个全新的10千瓦时锂离子电池组,以取代我死和笨重的铅酸电池。
我系统的铅/酸电池磨损的速度比预期的要快得多。我现在真的想摆脱它们, 切换到更高效的技术。我已经决定建立一个锂/离子电池组1000或更多18650细胞。这种类型的细胞用于特斯拉汽车和特斯拉的电源墙。
这些电池具有 3.7 伏特标称电压,典型容量为 2000 mAH。一个细胞重约43克。
这些电池的最大容量接近3000mAH(高端松下)。顺便说一下, 细胞宣布超过 3500 mAH (目前最大的可用容量) 是假的。
高端松下电池的价格在0.5欧元(Ebay购买的二手电池)到几欧元之间。
1000 单元格包具有以下特征:
能量: 3.7 * 2 * 1000 × 7400 WH × 7.4 千瓦时
重量: 50 * 1000 × 50 000 g × 50 Kg
成本 (2 = 单位成本): 1000 * 2 = 2000 |
预期寿命:5岁
为了进行比较,我当前的铅/酸包有以下数据:
能量:6千瓦时(最大)
重量: 60 * 8 = 480 Kg
成本 8 * 200 × 1600 €
预期寿命:2岁
如果我能得到健康的细胞单位成本 2 € 或更少, 它真的值得的努力。
我的计划是首先评估这项技术,用一个"模型",由大约100个用过的细胞组成。
为此,我建立了一个测试设备,以便快速检查每个电池的运行状况。我还将设计一个能够测量每组电池的电压和温度的监测板。BMS 板会通过隔离的 CAN 总线或 BlueTooth 将这些数据发送到全局系统。
2015 年 5 月 1 日至 2015 年 9 月 1 日(4 个月)之间的生产审核
自 2015 年 4 月底以来,"MyPV"数据库收集详细的能量信息。由于 MyPV网站的新统计页面,现在需要 3 次点击和 2 秒才能获得数字。试试自己:-)
我在 5 月到 8 月期间(4 个月)进行了计算,结果为:
几点意见:
73%的太阳能资源利用率是一个非常好的数字。事实上,太阳能资源测量是有点悲观(表示小于现实超过10%)。我认为实际资源利用率相当接近60%。因此,系统仍然40%的可用太阳能没有使用。太阳能测量精度很快将得到提高。
4 个面板字符串应提供大约 25 % 每个。可以看到,字符串2提供的部件非常低 - 只有13%的能量总量。人们可能会认为字符串 2 有故障。另一方面,总字符串输出(964 KWh) 比场输出(1157 Kwh) 少得多。这表明问题可能是由于字符串 2 上的电流传感器故障。这必须尽快解决。
电池产量为 66% 是一个相当低的数字。这可以通过电池每天保持许多小时在"吸收"和"浮动"状态。在这些阶段中,电池中的能量几乎完全丧失。
太阳能热水消耗数字目前尚未计算。此字段是有关我的光伏热水生产项目何时完成的规定。由于这种装置,太阳能资源利用率在未来应该会提高很多。
87%的能量自主性比率非常好。今年的夏天真的很棒,系统一直在线。注意:能量自主比用逆变器输入图计算,而不是用现场输出图计算。在这种情况下,能量自主比会更大,但是不现实的。
平均日耗量(8.8 千瓦时)与我在设计系统时所做的假设(10 千瓦时)一样。在冬季,平均日消费量将接近10千瓦时。
87 % 的自主性与时间比率与能量自主性比率完全一样。这意味着我们的消费几乎每天相同。
我(最后)完成了"MyPV"网站的统计页面。这个页面是英文的,你们这些幸运的家伙。如果单击"统计信息"菜单按钮,您将得到以下消息:
然后选择开始日期(2015 年 4 月 25 日之后)和结束日期。如果单击"提交"按钮,您将获得以下屏幕:
动机
去年,我在辐照度(+可用太阳能)测量面板中接触了一个松散的。我在 2014 年 8 月修复了此问题, 但最近又出现了此问题。
辐照度测量可随时提供最大的太阳能。这个数字在光伏系统中非常重要,因为它设定了最佳系统产量的目标。很容易检测到此曲线的任何异常偏差。
例如,下图显示了 2015 年 7 月 1 日测量的辐照度:
曲线的完美平滑度表明天空在一整天都是非常晴朗的。中午可用峰值功率达到 3800 瓦(见左刻度)。
在第二条曲线上,黄色表面是当天的辐照度,蓝线指示电池充电器提供的电力:
可以看到,蓝线大致遵循上午的黄色曲线,然后在电池充电(9 点钟)时呈指数级下降(可能)。例如,白天的高峰描绘了由于洗碗机或洗衣机操作导致的突然和暂时的消耗增加。人们很容易看到,即使在大量消费的时刻,太阳能的剩余仍然可用。到一天结束的时候,蓝线再次粘到黄色,因为可用功率低于房屋的需求,因此系统将充分利用可用电源。如果没有辐照度曲线(黄色背景),这些有趣的观测结果是不可能做出的。
新面板的适应和集成
新面板比旧面板小一点,但应适合现有位置。在将这个面板集成到系统中之前,我先对它进行了如下调整:
在铝制机箱上钻了一个 4 mm 孔,用于温度传感器蒙太"(在 TO92 封装中插入压接端子中的 LM35)
添加两个 20 X 15 mm 烤石棒,以增加面板的厚度(与环氧树脂粘合)
拆下保护二极管
在输出端子上放入 2.2 欧姆 2 瓦分流电阻器
粘合装饰 LED 条和控制器
连接电压感应端子
电气方面
旧面板的短路电流为 1.4 A。它配备了一个1欧姆分流电阻器。因此,1千瓦/平方米的太阳能发电,1.4 V出现在分流电阻器上。
新面板的短路电流为 0.6 A,为 1 千瓦/平方米。它配备了2.2欧姆分流电阻器。因此,1KK/m2 的太阳能,1.32 V 出现在分流电阻器上。此值接近前一个值,因此很容易重新校准采集软件(SFIT 模块)。
面板更换后今天的曲线
新面板已于下午 1 点左右投入使用。可以看到,从这一刻起,黄色辐照度曲线中不再出现不连续性(中断) :

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Sen
2020-08-28
859
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