Speranza Valeria
Laboratorio Piramide EvK2cnr
1
Speranza Valeria
Laboratorio Piramide EvK2cnr
1 INTRODUZIONE
1.1 Localizzazione
1.2 Organizzazione del Laboratorio
2 TEORIA DEI PANNELLI SOLARI
2.1 Introduzione
2.2 Parametri dei pannelli solari – generatori fotovoltaici
2.3 Radiazione solare
2.4 Tipologie di impianti
3 COMPONENTI DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO
3.1 La cella
3.2 Le batterie
3.3 Regolatori di carica
3.4 Inverter
4 SISTEMI DI ALIMENTAZIONE DELLA PIRAMIDE
5 INVIO DATI STAZIONI METEO → LABORATORIO→BERGAMO
5.1 Trasmissione dati stazioni AWS al Laboratorio
5.2 Modulazione FSK
5.3 Codifica di canale FEC
6 MEZZI DI COMUNICAZIONE
6.1 Interni alla Piramide
6.2 Esterni alla Struttura
2
Speranza Valeria
Laboratorio Piramide EvK2cnr
1 INTRODUZIONE
Durante quest’anno scolastico, pensando ad un progetto da presentare agli esami di stato,
volevo trovare il modo di unire la mia passione per la montagna e l’indirizzo di studi di
elettronica e telecomunicazioni.
Per interesse personale, già da un paio d’anni controllo spesso il sito internet EvK2cnr.org,
nel sito vengono pubblicate le ricerche scientifiche, gli interventi a tutele dell’ambiente e le
collaborazioni con organizzazioni internazionali che riguardano il Laboratorio Piramide.
Una piramide realizzata con una struttura premontata in acciaio e rivestita con cristalli
temprati (in grado di resistere a 200cm di neve) a 5050m sulle pendici dell’Everest nel
Parco Nazionale di Sagarmatha (monte Everest). Per avere ulteriori informazioni e
supponendo di voler presentare uno studio delle fonti di alimentazione del laboratorio e dei
sistemi di comunicazione, ho contatto Giampietro Verza, responsabile della ricerca
scientifica presso il comitato e guida alpina. La risposta è stata positiva, subito si è reso
molto disponibile.
Inizialmente ho svolto una ricerca sul “mondo” fotovoltaico: radiazione solare, tipologie di
pannelli e di impianti; caratteristiche architettoniche e geografiche della struttura; e solo
successivamente mi sono interessata alla Piramide.
Il laboratorio è stato costruito nel 1990, su un progetto del Prof. Ardito Desio e Agostino
Da Polenza, al fine di creare un laboratorio per la ricerca scientifica in alta quota.
La Piramide ospita anche il NCO (Nepal Climate Observatory).
3
Speranza Valeria
Laboratorio Piramide EvK2cnr
1.1 LOCALIZZAZIONE
4
Speranza Valeria
Laboratorio Piramide EvK2cnr
1.2 ORGANIZZAZIONE DELLA STRUTTURA
PRIMO LIVELLO
Ospita i quadri elettrici, un laboratorio per le analisi chimiche con un deionizzatore per
avere acqua ad alta purezza e un locale ad uso comune e per riunioni, sala bagno
SECONDO LIVELLO
dispone di tre locali laboratorio separati tra di loro, sala per il primo soccorso contro il mal
di montagna, camera iperbarica, concentratore di ossigeno e set trasportabile completo di
bombola di ossigeno, regolatore e maschera e toilette
TERZO LIVELLO
E' dedicato al trattamento dati, alle telecomunicazioni e alla gestione.
LODGE: (rifugio) dove vivono ricercatori e tecnici
5
Speranza Valeria
Laboratorio Piramide EvK2cnr
2 TEORIA DEI PANNELLI SOLARI
2.1 INTRODUZIONE
Per istallare un impianto fotovoltaico e averne benefici è necessari considerare:
a) localizzazione geografica (latitudine e longitudine), rispetto al luogo scelto qual è l’area
con la maggiore esposizione al sole, la presenza o meno di ombreggiature e ostacoli
b) la potenza dell’impianto
2.2 PARAMETRI DEI PANNELLI - GENERATORI FOTOVOLTAICI
a) per raggiungere la tensione nominale
scelta
b) il parallelo delle stringhe fornisce la
potenza nominale
Vtot = Vmod xnmod
Più moduli in serie formano una stringa
2.3 RADIAZIONE
6
Speranza Valeria
Laboratorio Piramide EvK2cnr
La radiazione solare totale è la somma della radiazione riflessa, diffusa e diretta.
Il coefficiente di albedo è l’unità di misura della riflessione del terreno
Ambiente Urbano
Neve bagnata
0.14 - 0.20
0.55 -0.75
Erba
0.15 - 0.25
Neve fresca
0.82
Asfalto secco
0.09 -0.15
Asfalto bagnato
0.18
Cemento
0.25 - 0.35
L’efficienza dell’impianto dipende dall’angolo che le stringhe di pannelli formano:
a) Con l’elevazione del sole
b) Con il piano dell’orizzonte
.
L’irraggiamento è maggiore se la
superficie del pannello è
perpendicolare ai raggi del Sole
7
Speranza Valeria
Laboratorio Piramide EvK2cnr
In corrispondenza della Piramide e delle stazioni meteo del progetto Share Everest, la
radiazione varia a seconda della quota, della trasparenza dell’atmosfera e dalla presenza
o meno di ombreggiature dovute alle montagne circostanti. Alla Piramide, la radiazione è
potente già dalla mattina, mentre il pomeriggio è spesso nuvoloso e nella seconda metà
viene schermata da una montagna.
8
Speranza Valeria
Laboratorio Piramide EvK2cnr
PROGETTO SHARE EVEREST, STAZIONI METEREOLOGICHE, STAZIONE DI
MONITORAGGIO ABC
•
Stazione autonoma di monitoraggio atmosferico
•
5.079 m (più alta del mondo)
Il computer all'interno dello shelter ABC invia i dati atmosferici al server del laboratorio,
attraverso una rete di fibra ottica o una connessione wi-fi di backup. Dal server, tramite
collegamento satellitare fisso, i dati vengono trasferiti al centro di controllo dislocato
presso l'Istituto di Bologna.
Ogni stazione AWS (automatic weather station) registra i seguenti parametri:
per l'aria: temperatura, umidità, pressione
per il vento: direzione e intensità
per il sole: la radiazione
per le precipitazioni: la pioggia
7 sono i parametri standard definiti dal WMO
World Meteorologic Organization
Tutti i sensori devono essere testati per il
funzionamento a situazioni estreme.
La stazione a Colle Sud, 8000m, deve resistere a
temperature circa -40°C, al ghiaccio e al vento
che con raffiche fino a 200Km/h può trasportare
materiale che impattandosi contro la stazione
danneggia i sensori.
9
Speranza Valeria
Laboratorio Piramide EvK2cnr
2.4 TIPO DI IMPIANTI
Stand Alone o Impianti a isola (isolati)
L’energia prodotta viene accumulata e
immessa nella rete locale”. Tipologia
applicata nella struttura del Comitato
EvK2cnr
Grid Alone o connesso alla rete
L’energia prodotta viene rimessa nelle
rete. In questo caso attraverso specifici
contratti con i gestori della rete
elettrica, l’energia immessa in rete
viene pagata
10
Speranza Valeria
Laboratorio Piramide EvK2cnr
3 COMPONENTI DI UN IMPIANTO STAND ALONE
3.1 LA CELLA
Le celle nello schema generale sono costituite da due strati di semiconduttore in contatto
fra loro: uno strato è di tipo n, (silicio e fosforo) caratterizzato da una certa quantità di
cariche negative (elettroni) e uno strato è di tipo p, o strato assorbitore (ottenuto drogando
il silicio con boro), in cui si ha un eccesso di cariche positive.
Alla giunzione, cioè nella zona di contatto tra i due strati, si crea una barriera di potenziale.
Ciascun fotone, dotato di energia, è in grado di liberare all'interno della giunzione una
coppia elettrone - lacuna che contribuisce alla conduzione elettrica del semiconduttore. A
causa della barriera di potenziale gli elettroni possono passare dallo strato p a quello n,
ma non è possibile il passaggio inverso: si crea così un eccesso di elettroni nello strato n.
Collegando un conduttore a ciascuno degli strati p e n e chiudendo il circuito ci sarà
circolazione di corrente grazie al passaggio degli elettroni che si ricombinano con le
lacune.
È importante che la radiazione solare penetri in entrambi gli strati n e p ed è per questo
motivo che il primo strato è molto sottile rispetto al secondo.
L’efficienza delle celle dipende dalla struttura dei cristalli e dalla tecnologia e dal materiale
con cui sono
Materiale
Struttura
Tecnologia
Efficienza
realizzati.
[%]
silicio
monocristallino
15 – 18
CIS= copper idium
policristallino
Con AR(anti-riflesso)
13 – 15
di selenide
POWER
10
TdTe= tellurio di
EFG
14
cadmio
RIBBON
12
IBRIDE HIT = misto
APex
9.5
tra le celle in silicio
Amorfo
5–8
e le celle a film
CIS
7.5 – 9.5
sottile
TdTe
6 -9
IBRIDE HIT
17.3
11
Speranza Valeria
Laboratorio Piramide EvK2cnr
3.2 BATTERIE
Le batterie al Piombo sono le più robuste sia dal lato elettrico sia termico.
Gli accumulatori utilizzati in Piramide sono ad alta efficienza caria/scarica con bassissime
perdite intrinseche.
POSSIBILI BATTERIE
Batterie con elettroliti solidi
Utili per temperature sotto lo zero.
Sono robuste e non hanno problemi per trasporti in aereo.
Durata cicli: maggiore che nelle batterie con piastra a griglia, ma inferiore a quelle OPzS o
tubolari.
Poiché la cella è molto sensibile alle perdite idriche il processo di carica deve essere
perfettamente adeguato alla batteria, in modo da contenere al massimo la formazione di
gas.
Costo elevato.
Batterie al nichel-cadmio
Per temperature estreme (da - 50°C ad oltre + 55°C).
Nel caso dei piccoli cicli il rendimento in Ah è di oltre il 95% e, con scariche profonde,
ancora del 70%.
Le batterie al Ni-Cd possono essere scaricate completamente. Con buone condizioni di
funzionamento la durata di vita è lunghissima. Essendo la scarica totale possibile, il
regolatore di carica è superfluo. Svantaggio: alta autoscarica (5 - 10 volte superiore di
quella delle batterie al piombo).
Alto costo.
Il rendimento sale quanto più è basso il rapporto tra Isc e Icar. Un buon rendimento è
considerato 0,83.
Rendimento batterie = Eout / Ein [%]
Batteria Batteria x
solare
autotrazione
Corrente di
spunto
Rendimento
N° cicli
Autoscarica
Durata di
vita
Piccola
Grande
Grande
Grande
Piccola
Medio
Piccola
Media
Lunga
Media
12
Speranza Valeria
Laboratorio Piramide EvK2cnr
3.3 REGOLATORI DI CARICA STECA TAROM 430 48V 30A
È un regolatore per impianti fotovoltaici e applicazioni di telecomunicazione.
La struttura dispone di 10 regolatori elettronici, lo shelter ha inverter di diverso tipo
in quanto ha una configurazione di sistema diversa
Caratteristiche del prodotto
Calcolo dello stato di carica
Regolazione PWM
Tecnologia di carica a più livelli
Soglia di disinserzione del carico in funzione del SOC
Reinserimento automatico del carico
Compensazione temperatura
Data logger integrato
Funzione di autotest
Funzioni elettroniche di protezione
Protezione da sovraccarico e da scarica profonda
Protezione contro l‘inversione di polarità di modulo e
carico
Protezione contro l‘inversione di polarità mediante
fusibile interno
Protezione da sovratensione sull‘ingresso del modulo
Protezione contro il funzionamento a vuoto senza batteria
Protezione da corrente di ritorno durante la notte
Protezione da sovratemperatura e sovraccarico
Disinserzione in caso di sovratensione della batteria
Visualizzazioni
Display LCD alfanumerico per parametri di funzionamento, avvisi di guasto, autotest
Interfacce
Interfaccia RJ45
Opzioni
Sensore di temperatura esterno
Contatto d‘allarme
Certificati
Approvato dalla Banca Mondiale per il Nepal
Conforme agli standard europei (CE)
Fabbricato e sviluppato in Germania
Fabbricato secondo gli standard ISO 9001 e ISO 14001
La ISO 14001 è una norma internazionale ad adesione volontaria, applicabile a qualsiasi
tipologia di Organizzazione pubblica o privata, che specifica i requisiti di un sistema di
gestione ambientale.
La Norma ISO 9001:2008 e stata redatta nell'ottica di migliorare la gestione della qualità
nelle organizzazioni con il duplice obiettivo, da un lato, di migliorarne la compatibilità con
lo Standard ISO 14001 che regola il Sistema di Gestione Ambientale, e,
contemporaneamente, limitarne l'impatto sulle organizzazioni che si troveranno a dover
adeguare i propri sistemi gestionali
13
Speranza Valeria
Laboratorio Piramide EvK2cnr
3.4 INVERTER ST6 AGF
AGF azienda Italiana con sede a Varese che produce componenti professionali per
impianti fotovoltaici.
serie IST : inverter per usi civili ideali per applicazioni come i sistemi fotovoltaici, dove è
richiesta un’ampia flessibilità ai carichi di utenza mantenendo i rendimenti; inoltre, gli
inverter sono testati per il funzionamento in quota. Protezione contro: sovraccarichi e
surriscaldamenti, instabilità di tensioni di batteria e possibilità di cariche elettrostatiche
Tipo
Ingresso
IST 6
48V cc
Potenza di
picco
6000 VA
Potenza
continua
2000 VA
Dimensioni mm
HxWxD
240X280X450
USCITA: CA, STABILIZZATA, MONOFASE, 220-230 V 50Hz / 115 V,
nepalese
Peso Kg
45
60Hz standard italiano e
DATI TECNICI
Corpo esterno:
fusione in alluminio con rivesti-mento epossidico
Costruzione:
Marinizzata e tropicalizzata
Alimentazione:
48V variazione ammessa - l 0% +20%
Stabilità in uscita: tensione < 0,l %
id. fra carico min. e max. < 3% frequenza < 0,0l%
Distorsione:
< 5% (onda sinusoidale)
Consumo:
in assenza di carichi: 0
Rendimento:
ottimale 85%
Temperature
operative:
da -l5° a +50°C (dissipatore termostatico tarato a + 79°C)
Impiego:
servizio intermittente: 100% della potenza max
servizio continuo: 50% potenza max
Protezioni:
Condizioni di
prova:
- elettronica (per cortocircuiti)
- con fusibile e/o interruttore magnetotermico (per cortocircuiti)
- termica con autoriarmo (per sovraccarichi prolungati)
le caratteristiche tecniche vengono determinate alla tensione
nominale, con carichi resistivi e con temperatura ambiente di 20°C
14
Speranza Valeria
Laboratorio Piramide EvK2cnr
La struttura dispone di:
-
2 inverter per la Piramide
-
1 // per il lodge
-
1 // ausiliario che è in grado di alimentare tutte le linee attraverso l’impianto
BiTicino
-
1 inverter di backup
Alcuni inverter compiranno 30 anni di funzionamento nel 2012
15
Speranza Valeria
Laboratorio Piramide EvK2cnr
4 SISTEMI DI ALIMENTAZIONE DELLA PIRAMIDE
L’intera struttura è alimentata da pannelli solari
Ogni pannello produce 60 ÷ 80 W
1 stringa = 4 moduli min → 240 ÷ 320 W
4 stringhe producono 48 V
Tenendo conto delle dimensioni di ogni campo e dell’età dei pannelli sono disponibili:
1 steccato da 3KWp
2 campi a sud per 4KWp
2 campi a est per 4KWp
1 campo sulla piramide da 1KWp
Per un totale complessivo di 15KWp
In caso di emergenza è disponibile un generatore con marmitta catalitica a bassa
emissione.
16
Speranza Valeria
Laboratorio Piramide EvK2cnr
5 INVIO DATI STAZIONI METEO → LABORATORIO→BERGAMO
5.1 TRASMISSIONE DATI STAZIONI AWS → LABORATORIO PIRAMIDE
I dati memorizzati dalle stazioni meteo vengono inviati tramite
segnali radio. I dati vengono modulati in FSK e poi inviati con una
codifica di canale FEC secondo il protocollo utilizzato dalla
SATELLINE- 3S
la modulazione F1D è una modulazione in frequenza che utilizza un
solo canale per l’invio dati e non usa sub portanti modulate
TRANSCEIVER
Frequency Range 360...470 MHz
Channel Spacing 12.5 kHz / 20 kHz / 25 kHz
Frequency Stability < ± 1.5 kHz
Type of Emission F1D
Communication Mode Half-Duplex
17
Speranza Valeria
Laboratorio Piramide EvK2cnr
5.2 MODULAZIONE FSK
B
18
Speranza Valeria
Laboratorio Piramide EvK2cnr
5.3 CODIFICA DI CANALE FEC (Forward Error Corretion)
È un sistema di correzione d'errore utilizzato soprattutto per la trasmissione di immagini tv.
Grazie al FEC si possono tollerare bene anche errori di grande entità. Con questo tipo di
codifica, i dati inviati dalle stazioni meteo, vengono ricevuti con grande precisione. I FEC
maggiormente utilizzati sono 2/3 e 3/4. Più il FEC si avvicina all'unità, e minore è la
protezione del segnale, ma maggiore è il symbol rate, e quindi la capacità di trasporto di
segnali complessiva. Il rapporto numerico (ad esempio 2/3 o 7/8) indica che da due
simboli originari, ne sono generati tre (o da 7 ne vengono generati 8); il simbolo aggiuntivo
serve per la protezione. È teoricamente possibile (e sarebbe conveniente per ottenere una
maggior protezione) aggiungere simboli a volontà (ad esempio usare un FEC di 2/6), ma si
perderebbe l'incremento di efficienza ottenuto cambiando il metodo di modulazione.
19
Speranza Valeria
Laboratorio Piramide EvK2cnr
6 MEZZI DI COMUNIOCAZIONE
6.1 INTERNI ALLA STRUTTURA
- Radio HF (per comunicazioni a livello nazionale anche con aeromobili)
- Radio VHF
- Telefonia/modem satellitare
O telefono IP (interno al centralino ME)
O cellulari satellitari
O telefoni/modem satellitari portatili
- Terminale satellitare VSAT
O Connessione Internet
O Connessioni dati
O Videoconferenza
6.2 ESTERNI ALLA STRUTTURA
- Set di connettività Internet a larga banda da campo
- Set di “presenza virtuale”: zaino che permette di realizzare un collegamento AV via
satellite con un operatore locale dal campo
- Set per dirette televisive: zaino che permette di realizzare dirette televisive via satellite
dal campo
- Set trasportabile per comunicazioni VHF / HF a grande distanza
Servizi IT
- Reti
O LAN interne al laboratorio,
O Reti con IP pubblico
- Acceso wireless
- Accesso internet a banda variabile
Le comunicazioni sia dati, che telefoniche avvengono tramite satellite utilizzando il
protocollo BGAN (Broadband Global Area Network ) e coinvolgendo sia Inmarsat ( società
nata inizialmente per garantire le comunicazioni ai mezzi navali militari e poi estesa
all’ambito civile), sia Turaya (Cooperativa di sceicchi arabi) che gestisce la telefonia
satellitare tramite 3 satelliti geostazionari.
20
Speranza Valeria
Laboratorio Piramide EvK2cnr
BIBLIOGRAFIA
-
Sito internet EvK2cnr.org
-
Giampietro Verza comitato EvK2CNR
-
BiTicino i quali hanno fornito uno schema dell’impianto elettrico aggiornato con le
funzioni di domotica
-
Gianluca Bonfichi BiTicino
-
Emanuele Cabini tesi specialistica in scienze ambientali (Bioclimatologia del parco
nazionale del monte Everest)
-
Corso CEI
RINGRAZIAMENTI
Si ringrazia tutto il Comitato EvK2cnr e BiTicino, in particolare Giampietro Verza che
nonostante i numerosi impegni, è sempre stato disponibile a rispondere ad ogni domanda
e chiarire ogni dubbio.
21
