Solartys, Cluster de Energía Solar

Diseño de una plataforma digital flexible, interoperable, segura e integrada, basada en el Internet de las Cosas (IoT)

El apoyo a la creación y fortalecimiento de clusters forma parte de la estrategia europea de promoción de la competitividad de las pymes y de la innovación. En la 2ª convocatoria de 2021 de la línea A.E.I. (Agrupaciones Empresariales Innovadoras), Solartys, Cluster de Energía Solar, ha ganado 4 proyectos, siendo uno de ellos el proyecto Girasol, el cual ejecutará el Cluster junto a 3 empresas socias (Àliter Group, UPC y Nvision).

¿En qué consiste? El proyecto Girasol, Gemelo Digital de Centrales Solares Fotovoltaicas Prueba de Concepto Girasol, consiste en el diseño de una plataforma digital flexible, interoperable, segura e integrada, basada en el Internet de las Cosas (IoT).

Basándose en el modelo de operación Digital Twin, el proyecto investigará los siguientes sistemas: la capa física del gemelo digital, que comprende el desarrollo del hardware y del software; y la capa lógica, que comprende la plataforma IoT, que a su vez integra varios módulos, y el gemelo digital.

Para poder llevar a cabo el proyecto, cada una de las partes implicadas aportará su ‘expertise’ en diferentes fases.

Àliter group 
Àliter group participa en diferentes ámbitos del proyecto, que van desde la auditoría inicial hasta el análisis de resultados final.

En primer lugar, Àliter realizará un levantamiento y recopilación de datos, referente a la planta de generación experimental existente, para tener toda la información de los componentes existentes y de su estado actual. Junto con los otros participantes, se realizará la especificación de los componentes de Nivel 1, Nivel 2 y Nivel 3, que se desarrollarán para la digitalización de la planta. En esta actividad determinará las especificaciones mecánicas, eléctricas, de comunicaciones, protecciones y conexiones de los componentes a desarrollar para la digitalización de la planta.

En el desarrollo de los componentes, Àliter llevará a cabo el diseño de la arquitectura del Gateway (Nivel 3), basado en una plataforma de computador de bajo coste, para comunicaciones, con E/S digitales capaz de recibir a varias líneas digitales de donde recibe los datos en el protocolo de comunicaciones adecuado Modbus/CAN/TPC-IP. Este tendrá capacidad e inteligencia avanzada para el procesamiento de datos; detectar la desconexión de sensores, eliminar ruido de fondo y descartar falsas alarmas, y luego enviarlos a través de Internet a la plataforma IoT.

Previo a la implementación del gemelo digital, Àliter establecerá los modelos de caracterización de los distintos componentes, especialmente de los paneles fotovoltaicos e inversores. Estos modelos se crearán a partir de la recopilación de curvas características de los paneles obtenidas bajo diferentes condiciones de operación y serán la base fundamental para la creación del gemelo digital.

Por último, Àliter realizará un estudio de la ubicación de los nuevos componentes y realizará la instalación en el prototipo existente. Basados en las especificaciones fijadas en actividades anteriores se realizarán conjuntamente las pruebas de funcionamiento en campo y de forma remota para evaluar el comportamiento del sistema completo. Esta validación de la prueba de concepto del gemelo digital se hará utilizando datos reales de la instalación experimental, usando diferentes situaciones para evaluar la capacidad de reacción del sistema.

UPC
Para la creación del gemelo digital es imprescindible alimentarlo con los datos de las variables del estado de los paneles solares. Para ello será necesario el diseño de un subsistema específico de sensado autónomo y de comunicaciones que proporcione los datos necesarios para los modelos digitales.

Los grupos MCIA, SARTI y e-CAT de la UPC que participan en el proyecto aseguran el desarrollo de esta capa física del gemelo digital, que comprende el desarrollo del hardware y del software para la integración de sensores de bajo coste para el monitorización de la tensión y temperatura del módulo fotovoltaico, y los concentradores de series o ‘String Hub’, que además de concentrar la información de los sensores para enviarla a la pasarela con la nube, realizarán tareas de diagnóstico y detección de mal funcionamiento de los sensores y reporte del estado de los mismos. El objetivo del sistema es la supervisión avanzada en tiempo real de la instalación, para la elaboración de diagnósticos fiables del estado de salud de la planta y la detección, identificación y predicción de fallos.

El sistema de sensores debe ser capaz de medir la temperatura y tensión de cada módulo, y la corriente del arreglo en serie. La salida digital será por interfaz RS485 para formar una red mixta de temperatura/tensión, controlada desde microprocesador. El sistema podrá conectar tecnología fotovoltaica de vanguardia como instalación base hasta 30 módulos en serie, de potencias hasta 500 Wp, con 144 medias células por módulo, Vmpp (tensión en el punto de máxima potencia) hasta 46 V, y corriente Impp (corriente proporcionada por el panel en el punto de máxima potencia) hasta 13 A.

La complejidad del diseño requerirá la investigación, desarrollo y adecuación de los sensores y la periferia de comunicaciones para conseguir un coste lo suficientemente reducido para poder desplegar el sistema en plantas con miles de paneles, y de técnicas de ‘energy harvesting’ que permitan que el módulo de medidas sea autónomo y se alimente del propio bus de energía de los paneles.

NVision
Dentro del proyecto Girasol, NVision diseñará la arquitectura de una plataforma IoT operando en la nube, que permitirá la interacción y cooperación segura en tiempo real de una serie de módulos inteligentes y auto configurables para alcanzar objetivos comunes: garantizar un monitoreo, gestión y control continuos de los distintos sistemas y procesos.

El back-end de la ya existente plataforma datAssist de NVision se adaptará para soportar las comunicaciones con los componentes de hardware (sensores, paneles, conversor, etc.) y el controlador de la instalación, así como para implementar una gestión y adquisición de datos adecuada entre todos sus módulos internos. Asimismo, se habilitarán todas las utilidades de gestión de datos necesarias para la integración efectiva de los distintos módulos funcionales definidos a continuación:

• Módulos de inteligencia artificial: para la optimización de los modelos de caracterización física y envejecimiento. Se utilizarán técnicas de machine learning para el desarrollo de modelos predictivos en tiempo real para la estimación de estados y el diagnóstico de degradación.
• Sistemas de soporte a la decisión (DSS): para la optimización de las operaciones de mantenimiento en la instalación.
• Módulos de simulación: para la recreación de posibles escenarios y soporte en el análisis de resultados.
• Módulos de comunicación: para el intercambio de datos con la instalación física (paneles FV, convertidores y sensores). Se estudiará la utilización de protocolos estandarizados, ampliamente utilizados en la industria, para garantizar la fácil integración y adopción de la tecnología desarrollada.

NVision desarrollará también una interfaz gráfica de usuario (GUI) en la nube, que permitirá a un operador visualizar las características de los sistemas monitoreados. Los datos de los gemelos digitales se muestran en tiempo real, mientras que los resultados de soporte de decisiones, predicción y simulación también se presentan a los usuarios en una interfaz cómoda para facilitar el examen y actuación. La interfaz garantiza la interoperabilidad entre todos los componentes SW / HW, protege los datos cuando sea necesario y desbloquea el acceso a funcionalidades específicas.

El progreso del proyecto podrá seguirse a través de las redes sociales del Cluster, además se realizará una jornada de presentación de resultados del proyecto prevista para el mes de julio o agosto, en la cual se expondrán los avances conseguidos y sus conclusiones.