Gli impatti della comunicazione wireless nella rivoluzione del settore dell'energia solare

Radiocrafts ha maturato un'esperienza pluridecennale nel settore dell'energia solare, servendo clienti di tutto il mondo in progetti di inseguimento solare, monitoraggio degli inverter, immagazzinaggio dell'energia e molto altro. Anche se offriamo soluzioni radio wireless in vari settori dell'IoT, da qualche anno è emersa una tendenza evidente. Un numero crescente di clienti si è rivolto a noi per soluzioni legate alle applicazioni solari. Riconoscendo l'importanza di questa richiesta, abbiamo deciso di approfondire la nostra conoscenza del settore.

Abbiamo così iniziato a partecipare attivamente alla rivoluzione del settore dell'energia solare, intervenendo a Intersolar Europe e US, RE+ e ad altre fiere di settore. Questi eventi ci hanno fornito preziose opportunità di interagire con i clienti esistenti e con nuovi potenziali clienti di questo settore. Molte delle idee e delle informazioni che presenteremo sono il risultato del nostro impegno e degli studi condotti su questo specifico settore.

(Immagine per gentile concessione di Radiocrafts)

Questo blog è pertanto dedicato a un approfondimento del settore dell'energia solare. Inizieremo con una definizione del settore, esploreremo le tendenze, esamineremo l'ampia gamma di dispositivi essenziali per l'implementazione degli impianti solari e approfondiremo il ruolo che ciascun dispositivo svolge all'interno del sistema. Confronteremo inoltre le soluzioni di cablaggio con le alternative wireless, discuteremo le soluzioni wireless su misura per tale settore e concluderemo illustrando la soluzione mesh RIIM di Radiocrafts, che supporta diverse funzionalità esclusive ottimizzate per le esigenze di questo specifico settore.

Che cos'è il settore dell'energia solare?

Il settore dell'energia solare comprende tre segmenti distinti ma ugualmente importanti:

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Il primo segmento in evidenza è quello delle estese installazioni delle utenze pubbliche, le aziende di servizi. Questi impianti sono costituiti da vaste schiere di pannelli solari, spesso nell'ordine delle migliaia. I pannelli solari sono abbinati a inseguitori per garantire un preciso inseguimento del sole e ottenere inclinazioni ottimali durante la giornata. In genere, queste installazioni sono situate in campi aperti e zone desertiche.

Il secondo segmento comprende installazioni di medie dimensioni, anch'esse di dimensioni importanti, ma non così estese come quelle che si trovano nelle regioni desertiche. Questi impianti si trovano comunemente sui tetti e sono classificati come segmento rooftop e industriale.

Infine, c'è il segmento residenziale, che consiste tipicamente in singole residenze o villette a schiera dotate di pannelli solari sul tetto delle loro abitazioni. Alcune configurazioni possono anche includere sistemi di immagazzinaggio dell'energia e di ricarica dei veicoli elettrici.

È interessante notare che le differenze tra questi sistemi sono influenzate dai codici di rete, che ne determinano l'interazione con la rete elettrica pubblica. Gli impianti più grandi sono soggetti a requisiti più severi che definiscono le modalità di immissione dell'energia nella rete e di regolazione della produzione per evitare il sovraccarico della rete stessa. La comprensione di queste distinzioni è fondamentale per confrontare questi diversi sistemi.

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È inoltre opportuno ricordare che alcune normative europee richiedono l'integrazione di impianti solari in alcuni progetti di costruzione di nuovi edifici. Si prevede che questo requisito aumenterà significativamente il numero di installazioni, in particolare nei settori rooftop e residenziale.

Qual è l'attuale tendenza del settore dell'energia solare?

Esiste una tendenza evidente? Stiamo assistendo a uno spostamento verso le installazioni residenziali e di piccole dimensioni, o la crescita si sta verificando in tutti i segmenti citati?

È indubbio che la crescita interessi tutti i segmenti.

Sebbene vi siano lievi variazioni nei requisiti e nelle configurazioni di sistema per soddisfare le specifiche radio, nel complesso osserviamo una crescita stabile in ciascuno di questi segmenti.

Quali tipi di dispositivi sono presenti in un impianto solare e quali sono i loro compiti nel sistema?

Gli impianti solari sono comunemente costituiti da numerosi componenti, il cui numero varia a seconda del segmento.

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Il cuore delle installazioni solari è costituito dai pannelli solari, spesso collegati in serie, che trasmettono la tensione c.c. attraverso un dispositivo noto come combinatore c.c. Il combinatore somma la tensione c.c. dei pannelli solari interconnessi e, una volta raggiunto il livello idoneo, la immette nell'inverter. Nelle installazioni su scala industriale, i combinatori svolgono un ruolo cruciale nel monitoraggio dei pannelli solari, rilevandone il potenziale deterioramento fisico nel tempo.

In alcune configurazioni, i pannelli solari possono fornire direttamente la tensione c.c. all'inverter, offrendo quindi una certa flessibilità di architettura.

Successivamente, l'inverter converte la tensione c.c. in tensione di rete c.a., che viene trasmessa alla rete elettrica attraverso un contatore.

Un altro componente fondamentale presente negli impianti solari è il controller di impianto o datalogger. Nelle installazioni su larga scala con numerosi inverter e combinatori c.c., questo dispositivo si chiama PPC ed è un controller dell'impianto di alimentazione. La sua funzione principale è quella di trasmettere i comandi di controllo agli inverter, consentendo loro di regolare la produzione in base ai requisiti della rete elettrica.

Nelle installazioni più piccole, il dispositivo viene per lo più definito datalogger e si occupa principalmente di registrare i dati energetici prodotti dall'inverter e di rilevare eventuali malfunzionamenti al suo interno.

Nelle installazioni su larga scala, di solito esiste una connessione o un'API che collega l'operatore della rete con il PPC. Ciò consente all'operatore della rete pubblica di trasmettere comandi al controller dell'impianto, permettendo di regolare l'uscita degli inverter in base ai requisiti della rete. Ad esempio, se viene generata una quantità eccessiva di elettricità, l'operatore della rete può ordinare al controller di ridurre la potenza di uscita degli inverter. Questa comunicazione ha in genere requisiti di latenza bassissimi per garantire l'adattamento in tempo reale degli inverter e prevenire potenziali sovraccarichi della rete dovuti a un'iniezione di corrente eccessiva.

Nelle installazioni su larga scala sono presenti diversi altri dispositivi, tra cui stazioni meteorologiche, inseguitori solari per ottimizzare l'angolazione dei pannelli in base alla posizione del sole, dispositivi per monitorare gli angoli degli inseguitori per assicurarsi che si muovano effettivamente di conseguenza e solarimetri per misurare l'intensità della luce solare.

Anche l'immagazzinaggio dell'energia svolge un ruolo significativo nelle installazioni solari, con banchi di batterie integrati in impianti di ogni dimensione.

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Nelle configurazioni residenziali e rooftop, l'installazione di stazioni di ricarica EV consente di supportare la ricarica dei veicoli elettrici. Un componente integrato delle configurazioni residenziali è il gestore energetico, che monitora i consumi in base alla produzione di energia locale e ai prezzi dell'energia di rete. Ottimizza il funzionamento dei carichi locali in modo che corrispondano ai periodi in cui i costi energetici sono più bassi, ad esempio quando, durante il giorno, viene generato il picco di energia solare.

In sintesi, un impianto solare è un sofisticato sistema IoT con ampie funzionalità di comunicazione.

Soluzione cablata o wireless?

Nelle odierne installazioni su larga scala, le soluzioni cablate sono la norma e comportano intricate reti in fibra ottica e chilometri di cavi, tra cui cavi elettrici, RS485 e in fibra ottica interrati. Tuttavia, la tecnologia wireless sta guadagnando terreno, offrendo numerosi vantaggi per queste installazioni.

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Le connessioni cablate pongono problemi quali la suscettibilità ai fulmini e agli anelli di massa, che possono interrompere la comunicazione in caso di guasto di un cavo che collega più dispositivi. Inoltre, la sostituzione e la riparazione dei cavi richiedono manodopera e comportano costi notevoli.

Alla luce di queste sfide, vi è un crescente interesse per le soluzioni wireless, grazie al loro significativo risparmio sui costi e alla flessibilità di installazione. Mentre l'approccio cablato tradizionale richiede in genere diversi giorni e un gran numero di lavoratori per la messa in opera, le alternative wireless offrono un'installazione e un'adattabilità rapide e semplici. Questi vantaggi sono alla base della crescente adozione di soluzioni wireless, in particolare con l'aumento della domanda di implementazioni di sistemi efficienti e senza intoppi.

Quali tecnologie wireless sono adatte agli impianti solari?

Esistono numerose tecnologie wireless, ognuna commisurata alle specifiche esigenze dei tre diversi segmenti di cui abbiamo parlato in precedenza e ai vari dispositivi necessari per gestire un'installazione efficiente in tutti i segmenti, ciascuno con requisiti diversi.

Un requisito fondamentale è la necessità di una lunga portata. Prendiamo ad esempio il segmento residenziale, dove il sistema potrebbe includere microinverter collegati direttamente a un pannello solare sul tetto dell'abitazione. Il controller si trova molto probabilmente all'interno della casa, il che crea problemi di comunicazione a seguito delle interferenze causate dalle pareti di calcestruzzo. Allo stesso modo, nelle installazioni rooftop non residenziali, una comunicazione efficace con gli inverter sul tetto pone un problema di portata perché i controller si trovano diversi piani più in basso. Nei grandi impianti di aziende di pubblica utilità che si estendono per chilometri, è essenziale implementare una comunicazione a lungo raggio con ogni inseguitore e combinatore c.c.

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Per risolvere questi problemi di portata, possiamo notare che la comunicazione radio sub-GHz offre una soluzione superiore rispetto alle tecnologie a 2,4 GHz, grazie alle maggiori proprietà di penetrazione e all'immunità alle interferenze. Inoltre, negli scenari in cui i pannelli solari o gli inverter sono distribuiti su più tetti all'interno di una singola rete, è necessaria una soluzione a maglie multi-hop per garantire la scalabilità.

La combinazione di tecnologie a maglie e sub-GHz si dimostra molto efficace per tutti e tre i tipi di installazioni solari.

Un altro vantaggio della tecnologia a maglie sub-GHz è mostrato nella seguente illustrazione. In questo caso, un PPC comunica con un inverter sul tetto che funge da router, estendendo la comunicazione da e verso altri inverter. In questo tipo di configurazione solare, la lunga portata è fondamentale.

Tuttavia, è anche importante notare che i requisiti di latenza richiedono una certa considerazione, essendo questa contraddittoria rispetto alla portata. Quando si ha a che fare con apparecchiature sensibili alla latenza, è essenziale prestare molta attenzione alle apparecchiature di comunicazione.

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Ad esempio, quando si monitora una stazione meteorologica, non è necessario raccogliere i dati ogni millisecondo, poiché le condizioni atmosferiche di solito non mutano così rapidamente. Le situazioni che richiedono regolazioni rapide, come la riduzione dell'iniezione di tensione nella rete, hanno bisogno invece di una comunicazione quasi in tempo reale, soprattutto quando si gestiscono più inverter contemporaneamente.

La tecnologia a maglie RIIM di Radiocrafts per gli impianti solari

Radiocrafts offre una soluzione a maglie a lungo raggio, a bassa latenza e a frequenza inferiore a un GHz, RIIM, particolarmente idonea per tutti e tre i segmenti di installazioni solari sopra menzionati.

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Con RIIM, gli utenti hanno la flessibilità di personalizzare varie configurazioni per adattarle ai diversi sistemi di installazione solare. Ad esempio, alcuni utenti potrebbero dare priorità a tempi rapidi di connessione alla rete, mentre altri potrebbero privilegiare la bassa latenza o la possibilità di avere numerosi dispositivi all'interno di un'unica rete. Tutti questi requisiti possono essere regolati con precisione e a ciascuno può essere assegnata una priorità nelle impostazioni di rete. Inoltre, Radiocrafts offre tutta l'assistenza necessaria per ogni progetto specifico di ogni cliente, il che significa che se un cliente desidera funzionalità aggiuntive rispetto alle offerte standard del prodotto, siamo in grado di far fronte a tali richieste.

In aggiunta alle suddette preoccupazioni relative alla portata e alla latenza, anche l'affidabilità è un fattore cruciale. Sebbene i cavi siano generalmente affidabili, sono soggetti a usura, il che può portare a problemi quali la rottura e l'aumento del numero di connettori. Per contro, nella comunicazione wireless esiste la possibilità di perdita di pacchetti di dati. Per ridurre questo rischio, RIIM impiega tecnologie avanzate come "Time Slotted Channel Hopping" (TSCH). Il TSCH è un protocollo che consente di trasmettere pacchetti di dati su diverse frequenze e finestre temporali in una programmazione sincronizzata. Il TSCH è noto in tutto il mondo come sistema a salto di frequenza che funziona in modo eccezionale per raggiungere un'affidabilità di trasmissione dati del 99,99% o superiore.

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Anche il throughput di dati è un aspetto cruciale in un sistema solare. La quantità di dati generata da ogni dispositivo varia notevolmente. Ad esempio, una stazione meteorologica produce relativamente pochi dati, mentre un inverter solare può generarne una quantità considerevole. Le decisioni per la progettazione del sistema devono tener conto delle capacità di elaborazione locale dei dati dell'inverter o dei pannelli solari, del filtraggio e della compressione. In definitiva, l'obiettivo è trasferire in modo efficiente una certa quantità di dati tra i dispositivi. Ad esempio, se la rete trasmette principalmente allarmi, la bassa latenza è fondamentale, ma il volume di traffico rimane basso. Tuttavia, se ogni dispositivo genera centinaia di bit di dati al secondo, può verificarsi un collo di bottiglia a causa dell'elevato volume di traffico.

Affrontare questo problema di latenza è un aspetto chiave della progettazione della rete RIIM, in particolare per le reti ad alta velocità. In UE, le limitazioni del ciclo di lavoro sono un ostacolo. Infatti, secondo la direttiva RED, è possibile trasmettere dati solo per l'1% del tempo. Questa limitazione ha un impatto significativo sui sistemi ad alta velocità. Ad esempio, utilizzando una rete LoRaWAN, le trasmissioni di pacchetti di dati su lunga distanza richiedono un'attesa di 10 minuti tra un pacchetto e l'altro per rispettare la regola del ciclo di lavoro. RIIM affronta questa sfida sfruttando il salto di frequenza, che consente di utilizzare più canali radio per inviare i dati. Inoltre, RIIM supporta la funzione AFA (Adaptive Frequency Agility) per identificare ed escludere i canali rumorosi dall'elenco per il salto di frequenza e quindi garantire che il sistema utilizzi solo i canali radio migliori per inviare i dati. RIIM, oltre a ciò, utilizza la funzione LBT (Listen Before Talk)durante l'invio di pacchetti di dati. La combinazione di queste tecnologie è nota come Polite Spectrum Access che, secondo la Direttiva RED e gli standard UE, consente la trasmissione di dati fino al 37% del tempo. Ne deriva una rete ad alta velocità con una congestione del traffico e una perdita di pacchetti minime.

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La robustezza di RIIM gli permette anche di gestire efficacemente le interferenze da altri protocolli, come Sigfox o le stazioni base LoRa, che operano su un unico canale radio. Se viene rilevato un rumore di una qualche entità in un particolare canale, RIIM dà la possibilità di non utilizzare quel canale.

La sua architettura è idonea per scenari scalabili che coinvolgono più reti parallele in installazioni su grande scala. Ad esempio, in un impianto di grandi dimensioni con anche 10.000 pannelli solari, non è possibile collegarli tutti a un'unica rete. È invece necessaria una soluzione in cui più reti operino in parallelo, spesso in stretta prossimità. Se tutte queste reti dovessero operare sullo stesso canale radio, soffrirebbero di un'importante interferenza reciproca. Abbiamo riscontrato casi in cui i clienti che utilizzano sistemi a canale singolo hanno dovuto affrontare gravi problemi di interferenza durante l'espansione delle loro reti. Tuttavia, il supporto di RIIM per il salto di frequenza e i metodi di sincronizzazione esclusivi garantiscono che le reti evitino automaticamente le interferenze. Questa capacità intrinseca riduce i problemi di scalabilità senza richiedere l'intervento del cliente.

Conclusioni

La domanda di energie rinnovabili è in aumento nel tentativo di combattere l'impatto del riscaldamento globale. Il settore dell'energia solare è in prima linea nella ricerca di una produzione di energia e di pratiche di vita più sostenibili. Dalle installazioni su larga scala, comprendenti centinaia di migliaia di pannelli solari e inverter nelle regioni desertiche, alle singole abitazioni nelle nostre città, ogni settore della società svolge un ruolo fondamentale nel promuovere il movimento solare.

Ogni segmento del settore dell'energia solare si affida a una serie di apparecchiature e dispositivi diversi per realizzare impianti solari efficienti. Questi dispositivi includono PPC, inverter, contatori di energia, stazioni di ricarica EV, sistemi di immagazzinaggio dell'energia e altro ancora. Inoltre, con l'evoluzione del settore dell'energia solare, si assiste a un graduale spostamento verso le soluzioni wireless come alternativa economica ai cablaggi. Le soluzioni cablate spesso comportano costi ingenti di manutenzione, installazione e manodopera.

Una soluzione wireless leader nel settore dell'energia solare è la tecnologia a maglie sub-GHz di Radiocrafts, RIIM. RIIM offre una serie di vantaggi, tra cui la comunicazione a lungo raggio grazie all'architettura a maglie multi-hop, la bassa latenza e l'altissima affidabilità rese possibili dalle funzioni di salto di canale. Inoltre, RIIM supporta un'elevata velocità di trasmissione dati derivante dalle funzioni Adaptive Frequency Agility e Listen-Before-Talk, che lo rendono adatto al funzionamento in ambienti rumorosi.