Sensores essenciais que todo sistema de monitoramento de usina fotovoltaica deve incluir.

Uma usina fotovoltaica não gera energia em condições fixas de laboratório. A irradiação solar varia ao longo do dia, a temperatura dos módulos sobe e desce, o vento afeta a transferência de calor, a chuva pode alterar as condições da superfície e o acúmulo de poeira pode reduzir gradualmente a quantidade de luz solar que chega aos módulos.

Por essa razão, os dados de geração de energia elétrica por si só nem sempre explicam tudo. Por que uma usina fotovoltaica está apresentando um desempenho em um nível específico?.

Um sistema de monitoramento fotovoltaico bem projetado combina dados elétricos com medições ambientais, permitindo que os operadores comparem os recursos solares disponíveis, as condições de operação e a geração de energia real.

Diretrizes internacionais de monitoramento de sistemas fotovoltaicos, como IEC 61724-1:2021 Fornece uma estrutura para o monitoramento do desempenho de sistemas fotovoltaicos, incluindo equipamentos de monitoramento, medição de irradiação, coleta de dados e medição de sujidade.

No entanto, nem todos os projetos de energia solar precisam exatamente do mesmo pacote de sensores.

Um sistema comercial em telhado, uma fazenda solar de grande escala, uma usina fotovoltaica no deserto e um projeto solar flutuante podem exigir configurações de monitoramento diferentes.

Este guia explica os aspectos mais importantes. sensores de usina fotovoltaica, o que cada um mede e onde pode agregar valor.

1. Por que a seleção de sensores é importante em um sistema de monitoramento fotovoltaico

Imagine que a produção de um conjunto de painéis solares caia repentinamente.

Os dados de energia indicam ao operador que a produção diminuiu, mas não explicam imediatamente a causa.

Diversas perguntas podem precisar ser respondidas:

• A irradiação solar diminuiu devido às nuvens?
• A temperatura do módulo aumentou?
• Há acúmulo de poeira nos módulos?
• Uma determinada seção da planta está sujeita a condições ambientais diferentes?
• Algum evento climático afetou o local?
• Ou é mais provável que a perda venha do inversor, da fiação, dos módulos ou de outros equipamentos elétricos?

Os sensores ambientais fornecem os dados de referência necessários para a separação. variação relacionada ao clima decorrente de possíveis problemas de desempenho relacionados ao equipamento.

Uma arquitetura de monitoramento completa pode combinar:

Sensores ambientais → Registrador de dados / RTU → Rede de comunicação → Plataforma de monitoramento → Análise de desempenho fotovoltaico

JW-IoT's Solução de monitoramento de energia solar fotovoltaica Integra radiação solar, temperatura do módulo, monitoramento meteorológico, aquisição de dados, comunicações e monitoramento baseado em nuvem para aplicações fotovoltaicas.

O objetivo, portanto, não é instalar o máximo de sensores possível.

O objetivo é coletar o variáveis ambientais adequadas para o nível de análise de desempenho exigido.

2. Sensores de Irradiância Solar: A Base do Monitoramento do Desempenho de Sistemas Fotovoltaicos

Dentre todas as medições ambientais utilizadas em usinas fotovoltaicas, A irradiação solar é um dos fatores mais importantes..

A irradiância descreve a energia solar que chega a uma superfície e geralmente é expressa em watts por metro quadrado (W/m²).

Como os módulos fotovoltaicos convertem a radiação solar incidente em eletricidade, os operadores precisam de dados de irradiação para entender o recurso solar disponível para o conjunto.

Sem medições de irradiação no local, uma redução na geração de energia pode ser difícil de interpretar.

Por exemplo:

Menor produção fotovoltaica + menor irradiação

Pode simplesmente indicar que havia menos energia solar disponível.

Mas:

Irradiância normal + produção fotovoltaica inesperadamente baixa

pode justificar uma investigação mais aprofundada sobre a temperatura do módulo, sujidade, sombreamento, funcionamento do inversor, perdas elétricas ou outras condições da central elétrica.

Medições comuns de irradiância

Dependendo do objetivo do monitoramento, um projeto fotovoltaico pode utilizar:

• Irradiância no plano da matriz
• Irradiância horizontal global
• Piranômetros
• Sensores de irradiância de silício
• Dispositivos de irradiância do tipo célula de referência

Para monitoramento de desempenho, o localização, orientação, plano de montagem, tecnologia do sensor e precisão da medição Tudo deve ser levado em consideração.

Um sensor plano de matriz, por exemplo, é normalmente posicionado para representar a radiação solar recebida pelos módulos fotovoltaicos.

Para projetos que exigem monitoramento de radiação solar, explore as soluções da JW-IoT. Sensor de Irradiância Solar para Monitoramento de Sistemas Fotovoltaicos e sensores de radiação solar relacionados.

Por que os dados de irradiância são tão valiosos

Os dados de irradiância podem auxiliar no diagnóstico e na obtenção de dados:

• avaliação do desempenho fotovoltaico
• Análise da relação de desempenho
• Comparação entre recursos solares e geração de energia
• Identificação de tendências de geração anormais
• Monitoramento de recursos solares
• Análise de desempenho a longo prazo

Para instalações de grande porte, múltiplos pontos de monitoramento representativos também podem ser considerados quando o tamanho do local, o terreno, a orientação da matriz ou as condições locais tornam um único ponto de medição insuficiente.

3. Sensores de temperatura para módulos fotovoltaicos

Durante o funcionamento, os módulos solares podem ficar consideravelmente mais quentes do que o ar circundante.

Isso faz A temperatura do módulo é diferente da temperatura ambiente., E essa distinção é importante na análise do desempenho fotovoltaico.

As características elétricas dos módulos fotovoltaicos dependem da temperatura. Consequentemente, a análise de desempenho torna-se mais significativa quando as medições de irradiação são avaliadas juntamente com a temperatura do módulo.

Normalmente, um sensor de temperatura para módulo fotovoltaico é instalado em contato térmico com o módulo, geralmente na superfície traseira, de acordo com o projeto de monitoramento e os requisitos de instalação do sensor.

Os dados de temperatura do módulo podem ajudar os operadores:

• Compare a temperatura do módulo com a irradiância.
• Compreender a variação de desempenho relacionada à temperatura
• Comparar as condições de operação entre os conjuntos de matrizes
• Investigar temperaturas de módulo excepcionalmente altas
• Melhorar o contexto ambiental para a análise de desempenho.

Em vez de analisar apenas a irradiância, os operadores podem, portanto, analisar:

Irradiância + Temperatura do módulo + Saída elétrica

Essa combinação fornece uma base muito mais sólida para avaliar se a alteração da potência de saída é compatível com as condições ambientais reais.

A arquitetura de monitoramento fotovoltaico da JW-IoT pode integrar sensores de temperatura de módulos fotovoltaicos juntamente com medições de irradiação e meteorológicas.

4. Sensores de velocidade e direção do vento

Em projetos solares, o vento às vezes é tratado como uma medição secundária, mas pode fornecer um contexto valioso tanto para a análise do desempenho dos painéis fotovoltaicos quanto para a operação do local.

A movimentação do ar influencia a troca de calor em torno dos módulos fotovoltaicos. As condições de vento podem, portanto, contribuir para diferenças na temperatura de operação dos módulos, mesmo quando a irradiação e a temperatura ambiente parecem semelhantes.

Dependendo do projeto, o monitoramento do vento pode incluir:

• Velocidade do vento
• Direção do vento
• Observações de velocidade máxima ou relacionadas a rajadas, quando exigidas pelo sistema de monitoramento.
• Tendências históricas do vento

Onde o monitoramento do vento é especialmente útil

As medições de vento podem ser valiosas para:

• Usinas fotovoltaicas de grande escala
• Parques solares a céu aberto expostos
• Instalações no deserto
• Usinas solares flutuantes
• Projetos fotovoltaicos costeiros
• Locais sujeitos a condições de vento fortes ou altamente variáveis.

Os dados eólicos também podem fornecer contexto ambiental adicional ao investigar temperaturas de módulos ou condições incomuns do local.

A JW-IoT oferece diferentes opções. sensores de velocidade e direção do vento que podem ser integrados em sistemas de monitoramento meteorológico fotovoltaico de acordo com os requisitos do projeto.

5. Pluviômetros, sensores de temperatura ambiente e umidade

Nem todos os parâmetros ambientais calculam diretamente o desempenho da geração fotovoltaica, mas as informações meteorológicas podem ajudar os operadores a entender as condições que envolvem a usina.

Temperatura ambiente

A temperatura do ar ambiente serve como referência para avaliar o ambiente térmico ao redor do conjunto de painéis fotovoltaicos.

Quando registrados juntamente com a temperatura e a irradiação do módulo, esses dados ajudam os operadores a distinguir entre as condições climáticas gerais e o aquecimento específico do módulo.

Umidade Relativa

O monitoramento da umidade pode ser útil para compreender as condições do microclima do local.

Sua importância depende muito da localização e do tipo de projeto.

Exemplos incluem:

• Usinas solares costeiras
• Instalações fotovoltaicas tropicais
• Sistemas fotovoltaicos flutuantes
• Locais com condensação frequente ou alta umidade
• Estações de monitoramento ambiental integradas a usinas solares

A umidade deve, portanto, ser considerada um fator importante. parâmetro dependente do projeto em vez de um sensor de desempenho universal.

Chuva

Um pluviômetro registra a precipitação no local.

As informações sobre precipitação podem fornecer um contexto útil na avaliação de mudanças ambientais e das condições da superfície do módulo.

Por exemplo, os registros de precipitação podem ser comparados com:

• Tendências de sujidade
• eventos meteorológicos
• Registros de manutenção
• Atividades de limpeza
• Alterações nas condições ambientais

A precipitação não deve ser automaticamente interpretada como equivalente à limpeza eficaz dos módulos. O resultado pode variar de acordo com a intensidade da chuva, as características da poeira, o ângulo do módulo, o ambiente do local e outros fatores.

Por essa razão, projetos em que as perdas por sujidade são comercialmente importantes devem considerar a medição direta da sujidade, em vez de depender apenas de dados de precipitação.

6. Sensores de Sujidade em Painéis Fotovoltaicos: Medindo uma Perda que Pode Ser Difícil de Detectar

Poeira, areia, pólen, poluição e outros depósitos podem se acumular nas superfícies dos módulos fotovoltaicos.

Quando os depósitos reduzem a radiação solar que chega às células fotovoltaicas, a geração de energia pode ser afetada.

A importância da sujidade varia consideravelmente de acordo com o local.

Pode ser particularmente relevante em:

• Usinas solares no deserto
• Regiões áridas e semiáridas
• Locais próximos a estradas não pavimentadas
• Áreas agrícolas
• Ambientes industriais
• Regiões com longos períodos de seca

O NREL realizou uma extensa pesquisa sobre a sujidade em sistemas fotovoltaicos porque os operadores precisam entender a relação entre contaminação, perda de energia e requisitos de limpeza.

A sensor de sujidade PV ou sistema de medição de sujidade Fornece aos operadores informações mais diretas sobre a contaminação da superfície do que apenas a precipitação ou a inspeção visual.

Os dados sobre sujidade podem auxiliar no diagnóstico:

• Detecção de contaminação crescente
• Comparação de condições limpas e contaminadas
• decisões sobre o cronograma de limpeza
• Avaliação da eficácia da limpeza
• Análise de O&M de longo prazo

Isso não significa que todo pequeno sistema fotovoltaico em telhado precise de um sensor de sujidade específico.

No entanto, para uma grande usina solar no deserto, mesmo pequenas alterações nas condições de sujidade podem se tornar importantes quando aplicadas a uma grande capacidade instalada.

JW-IoT fornece um Sistema de medição de sujidade em painéis fotovoltaicos para monitoramento de painéis solares. Para aplicações onde é necessário o monitoramento direto da sujidade.

7. O registrador de dados é a conexão entre sensores e decisões.

A instalação de sensores precisos é apenas parte de um sistema de monitoramento fotovoltaico.

Os dados também devem ser coletados, registrados com data e hora, armazenados, transmitidos e disponibilizados para análise.

Este é o papel do Registrador de dados, RTU, gateway IoT ou controlador de monitoramento.

Dependendo da arquitetura do projeto, um sistema de aquisição de dados pode coletar informações de:

• Sensores de irradiância
• Sensores de temperatura do módulo
• Sensores de temperatura e umidade do ar
• Sensores de vento
• pluviômetros
• Sensores de sujidade
• Medidores de eletricidade
• Inversores
• Outros equipamentos da fábrica

As opções de comunicação podem incluir tecnologias como:

• RS485 / Modbus
• Ethernet
• LoRaWAN
• 4G LTE
• Transmissão de dados baseada em MQTT
• integração de API

A arquitetura correta depende da escala da planta, da distribuição dos sensores, da infraestrutura SCADA existente, da cobertura de comunicação, da disponibilidade de energia e da plataforma de monitoramento necessária.

Uma regra útil é:

Bons sensores, mas sem uma aquisição de dados confiável, ainda resultam em um sistema de monitoramento deficiente.

A precisão dos sensores, a qualidade da instalação, a aquisição de dados, a consistência dos registros de data e hora, a confiabilidade da comunicação e a análise de dados devem funcionar em conjunto.

8. Pacote de sensores fotovoltaicos recomendado por tipo de projeto

Não existe um único pacote de sensores que se adapte a todos os projetos fotovoltaicos.

Uma abordagem melhor é configurar o sistema de monitoramento de acordo com a escala do projeto, o clima, as condições do local e os objetivos de monitoramento de desempenho.

Sistemas fotovoltaicos comerciais em telhados

Um pacote típico de monitoramento ambiental pode incluir:

• Sensor de irradiação solar
• sensor de temperatura do módulo fotovoltaico
• Sensor de temperatura ambiente
• Registrador de dados ou gateway

Parâmetros meteorológicos adicionais podem ser incluídos quando exigidos pelo projeto.

Usina solar de grande escala

Uma configuração mais abrangente pode incluir:

• Sensor de irradiância no plano da matriz
• Medição adicional de irradiância de referência, quando necessário.
• sensores de temperatura de módulos fotovoltaicos
• Temperatura e umidade ambiente
• Velocidade e direção do vento
• pluviômetro
• Registrador de dados / RTU
• Portal de comunicação
• Plataforma de monitoramento

Plantas de grande porte ou geograficamente dispersas podem exigir múltiplos pontos de monitoramento representativos.

Usina fotovoltaica no deserto

A sujidade torna-se muito mais importante em ambientes empoeirados.

Uma configuração pode, portanto, incluir:

• Sensores de irradiância
• Sensores de temperatura do módulo
• Temperatura e umidade ambiente
• Monitoramento do vento
• Medição de precipitação
• sistema de medição de sujidade em painéis fotovoltaicos
• Aquisição de dados e comunicação remota

O sistema de monitoramento ambiental pode então fornecer dados para apoiar tanto a análise de desempenho quanto as decisões de limpeza.

Usina fotovoltaica flutuante

As instalações fotovoltaicas flutuantes introduzem um ambiente operacional diferente.

Dependendo dos requisitos do projeto, o monitoramento pode incluir:

• Irradiância solar
• Temperatura do módulo
• Temperatura e umidade ambiente
• Velocidade e direção do vento
• Chuva
• Monitoramento ambiental relacionado à água, quando necessário.
• Registrador de dados
• Comunicações remotas

JW-IoT também fornece um Solução para Estação Flutuante de Monitoramento Solar para aplicações fotovoltaicas em reservatórios e outras aplicações flutuantes.

9. Sensores principais versus sensores dependentes do projeto

Um erro comum no projeto de uma estação meteorológica fotovoltaica é tratar todos os parâmetros ambientais possíveis como igualmente importantes.

Uma abordagem mais prática é dividir os sensores em dois grupos.

Medidas de referência de desempenho principais

Para muitas aplicações de monitoramento de desempenho, as medições ambientais mais importantes incluem:

Irradiação solar + temperatura do módulo fotovoltaico

Esses fatores melhoram diretamente a capacidade de comparar a energia solar disponível, a temperatura de operação e a geração de energia.

Medidas dependentes do projeto

Outras medidas podem então ser selecionadas de acordo com as condições reais do local:

Vento — útil para o contexto térmico e das condições do local.

Chuva — útil para registros de precipitação e ambientais.

Umidade — particularmente relevante em ambientes úmidos, costeiros, tropicais ou flutuantes.

Sujeira — particularmente valioso onde a perda de geração relacionada à poeira e a otimização da limpeza são importantes.

A configuração final de monitoramento deve, portanto, ser baseada em requisitos de engenharia, e não simplesmente em maximizar o número de sensores.

10. Como escolher sensores para usinas fotovoltaicas

Antes de selecionar sensores para um projeto de monitoramento fotovoltaico, considere as seguintes questões:

1. Quais indicadores de desempenho precisam ser analisados?
2. O projeto é de energia fotovoltaica em telhado, em escala de utilidade pública, em áreas desérticas, costeiras ou flutuantes?
3. É necessária a irradiância no plano do arranjo de lâmpadas?
4. Quantos pontos de monitoramento representativos são necessários?
5. A sujidade representa um risco operacional significativo?
6. Quais parâmetros meteorológicos são importantes para o local?
7. Quais sinais de saída são necessários?
8. O sistema se conectará a uma plataforma SCADA ou de monitoramento existente?
9. Que infraestrutura de comunicação está disponível?
10. Qual o nível de proteção ambiental exigido?

O sensor em si nunca deve ser considerado isoladamente.

A posição de instalação, a orientação, a estratégia de calibração, a manutenção, o registro de dados, a comunicação e a análise influenciam a utilidade do conjunto de dados final.

Perguntas frequentes

1. Quais sensores são mais importantes para uma usina fotovoltaica?

A irradiação solar e a temperatura dos módulos fotovoltaicos estão entre as medições ambientais mais importantes para o monitoramento do desempenho de sistemas fotovoltaicos. Medições de vento, precipitação, umidade e sujidade podem ser adicionadas de acordo com a escala do projeto, o clima, os objetivos do monitoramento e as condições do local.

2. Por que uma usina solar precisa de um sensor de irradiação?

Um sensor de irradiação mede a energia solar disponível no local. Comparar a irradiação com a geração de energia elétrica ajuda a determinar se as mudanças na produção são consistentes com as alterações nas condições de luz solar ou se uma investigação mais aprofundada é necessária.

3. Por que medir a temperatura do módulo fotovoltaico?

O desempenho elétrico dos módulos fotovoltaicos varia com a temperatura. Portanto, os dados de temperatura dos módulos fornecem um contexto importante na análise do desempenho de geração em conjunto com a irradiação solar.

4. Toda usina fotovoltaica precisa de um sensor de sujidade?

Não. O valor da medição direta da sujidade depende do local. É particularmente útil em ambientes empoeirados, desérticos, agrícolas, industriais ou outros onde a contaminação pode influenciar significativamente a estratégia de limpeza e o desempenho da planta.

5. As usinas fotovoltaicas precisam de sensores de vento e chuva?

São úteis em muitos projetos, mas devem ser selecionados de acordo com os objetivos de monitoramento. O vento fornece contexto ambiental e térmico, enquanto a precipitação registra os dados e pode auxiliar na análise das condições do local e eventos de sujidade.

6. O que faz um registrador de dados fotovoltaicos?

Um registrador de dados coleta medições de sensores ambientais e outros dispositivos, registra a data e hora, armazena os dados e pode transmiti-los para plataformas SCADA, IoT ou de monitoramento em nuvem para visualização e análise.

Construa o sistema de monitoramento em torno da pergunta que você precisa responder.

O melhor sistema de monitoramento fotovoltaico não é necessariamente aquele com o maior número de sensores.

É o sistema que coleta as medições necessárias para explicar o desempenho da planta de forma confiável.

Para muitas usinas fotovoltaicas, isso começa com:

Irradiância solar → Temperatura do módulo → Geração de energia elétrica

Os dados meteorológicos podem então adicionar contexto ambiental, enquanto o monitoramento da sujidade pode abordar os riscos de contaminação específicos de cada local.

Quando esses sensores são conectados por meio de uma arquitetura confiável de aquisição e comunicação de dados, os operadores obtêm uma visão mais clara da relação entre eles. luz solar, clima, condições do módulo e produção real de energia..

A JW-IoT fornece sensores de irradiação solar, monitoramento de temperatura de módulos fotovoltaicos, sensores meteorológicos, dispositivos de monitoramento de sujidade, equipamentos de aquisição de dados, gateways de comunicação e soluções integradas de monitoramento fotovoltaico para projetos solares em telhados, em escala de serviços públicos, em áreas desérticas e flutuantes.

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Referências técnicas

Este artigo baseia-se em princípios estabelecidos de monitoramento de sistemas fotovoltaicos, incluindo IEC 61724-1:2021 — Desempenho de sistemas fotovoltaicos — Parte 1: Monitoramento, juntamente com o monitoramento fotovoltaico e a pesquisa sobre recursos solares publicada pelo Laboratório Nacional de Energia Renovável dos EUA (NREL).

Essas referências corroboram o uso de dados de irradiação, temperatura, meteorológicos, aquisição de dados e informações sobre sujidade no monitoramento e análise do desempenho de sistemas fotovoltaicos.