Speranza Valeria Laboratorio Piramide EvK2cnr Tesina... · elettrica, l’energia immessa in rete...

Speranza Valeria Laboratorio Piramide EvK2cnr

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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


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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).


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1.1 LOCALIZZAZIONE


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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


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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

Vtot = Vmod xnmod

Più moduli in serie formano una stringa

2.3 RADIAZIONE

b) il parallelo delle stringhe fornisce la

potenza nominale


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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 0.14 - 0.20

Neve bagnata

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


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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.


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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.


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2.4 TIPO DI IMPIANTI

Stand Alone o Impianti a isola (isolati)

Grid Alone o connesso alla rete

L’energia prodotta viene accumulata e

immessa nella rete locale”. Tipologia

applicata nella struttura del Comitato

EvK2cnr

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


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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 realizzati. CIS= copper idium di selenide TdTe= tellurio di cadmio IBRIDE HIT = misto tra le celle in silicio e le celle a film sottile

Materiale Struttura Tecnologia Efficienza [%]

silicio monocristallino 15 – 18

policristallino Con AR(anti-riflesso) 13 – 15

POWER 10

EFG 14

RIBBON 12

APex 9.5

Amorfo 5 – 8

CIS 7.5 – 9.5

TdTe 6 -9

IBRIDE HIT 17.3


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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

solare Batteria x

autotrazione

Corrente di

spunto Piccola Grande

Rendimento Grande Medio

N° cicli Grande Piccola

Autoscarica Piccola Media

Durata di

vita Lunga Media


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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


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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

USCITA: CA, STABILIZZATA, MONOFASE, 220-230 V 50Hz / 115 V, 60Hz standard italiano e

nepalese

Tipo Ingresso Potenza di

picco

Potenza

continua

Dimensioni mm

HxWxD

Peso Kg

IST 6 48V cc 6000 VA 2000 VA 240X280X450 45

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: - elettronica (per cortocircuiti) - con fusibile e/o interruttore magnetotermico (per cortocircuiti)

- termica con autoriarmo (per sovraccarichi prolungati)

Condizioni di prova:

le caratteristiche tecniche vengono determinate alla tensione

nominale, con carichi resistivi e con temperatura ambiente di 20°C


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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


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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.


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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


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5.2 MODULAZIONE FSK

B


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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.

http://it.wikipedia.org/wiki/Symbol_rate

http://it.wikipedia.org/wiki/Modulazione


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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.


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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.

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