Merjenje veterne energije in analiza v oblaku

Wind energy is one of the most abundant renewable energy sources mankind has tamed and wind turbine adoption on a global scale is in full swing. However, the same cannot be said for small scale projects, which are falling behind other renewable energy sources mainly due to scarce information and a lack of public awareness. To tackle this problem, an affordable measuring station based on open source hardware and software was designed. The measuring station relays environmental data to a remote cloud platform, using long- or short-range wireless communication. The cloud platform features a RESTful API and is used to store, automatically analyse, and present measurement data. Based on measurement data, periodic wind speed histograms are formed, which are later combined with a wind height extrapolation model to obtain wind speed values at wind turbine hub height. The extrapolated data is then applied to different turbine models to assess the prospects of a potential investment. An initial measuring station prototype has been running since September 2018, on which an example calculation of the annual wind energy trends and the potential income at the measuring location are based and presented.Največji svetovni vir izpustov CO 2 predstavlja proizvodnja električne energije. Ta je že več kot 50 let na vrhu lestvice, vendar se kot posledica prehoda na obnovljive vire energije njen doprinos k svetovnemu onesnaženju počasi manjša. Med obnovljivimi viri energije je med najpomembnejšimi vetrna energija, ki je po količini proizvedene električne energije v letu 2018 v Evropi prehitela sončno energijo. Kljub temu prehod na vetrno energijo na lokalni ravni zaostaja za svetovnimi trendi. V letu 2010 se je Republika Slovenija podala na desetletno pot postopne po- stavitve vetrnih turbin, ki bi naj do leta 2020 v omrežje dobavljale skupno 50 MW električne moči. V poletju leta 2019 je skupna priključna moč vetrnih turbin v Sloveniji znašala manj kot 5 MW, omenjeni cilj pa je kljub vse boljšim pogojem za postavitev vetrnih turbin še daleč od uresničitve. Podobno kot sosednje Alpske države je tudi Slovenijo v preteklih letih priza- delo več naravnih nesreč, ki so povzročile pospešeno sečnjo gozdov. Na prizadetih območjih je v istem obdobju prišlo do vse višjih zabeleženih povprečnih hitrosti vetra in raziskave kažejo, da je v zadnjih sedmih letih na območju Alp prišlo do 30 % povišanja povprečne hitrosti vetra. Veter je v primerjavi z ostalimi obnovljivimi viri energije, kot je sončna ener- gija, izrazito lokalen in razmeroma nepredvidljiv pojav, zato ga je težko mo- delirati. Za merjenje vetra uporabljamo naprave imenovane anemometri, ki so najpogosteje nameščene na višini 10 m. Čeprav je trg poplavljen z vremenskimi merilnimi postajami, te pogosto ne omogočajo celotnega paketa zajema, hranje- nja in obdelave podatkov. Tovrstne rešitve so dostopne le na profesionalni ravni, cene pa so primerljive z nakupom manjšega stanovanja v Ljubljani. Zaradi tega sta bili v sklopu tega dela razviti odprtokodna merilna postaja za zajem podatkov in javno dostopna aplikacija v oblaku za hranjenje ter analizo podatkov. Merilna postaja je zgrajena okrog osrednje mikrokrmilne enote in poleg ane- mometra vključuje še senzorje za merjenje temperature zraka, relativne vlage, zračnega pritiska, električne napetosti in električnega toka. Zadnji dve količini s pomočjo sončne celice, njenih značilnosti in z dodatnimi releji omogočata po- sredno merjenje moči vpadne sončne svetlobe. Merilna postaja omogoča lokalno shranjevanje podatkov, pošiljanje meritev v oblaku preko brezžične povezave na kratko ali dolgo razdaljo in lahko, ob uporabi baterije ter dodatne napajalne naprave, obratuje povsem avtonomno. Zaradi nizke potrošnje električne energije, enostavnosti uporabe in razširjenosti na trgu, je bil za izdelavo merilne postaje izbran mikrokrmilnik At- mel SAMD21. Ta se nahaja na Amtel SAM D21 Xplained Pro razvojni plošči, ki omogoča neposredno programiranje mikrokrmilnika s SWD programatorjem, ali pa preko serijske povezave z integriranim programatorjem EDBG. Na mikrokrmilniku je nameščena različica realnočasnega RIOT-OS operacij- skega sistema za vgrajene sisteme, znotraj katerega teče glavna aplikacija, na- pisana v programskem jeziku C. Aplikacija se za sledenje časa, zajem grobih podatkov, komunikacijo s senzorji in poročanje izmerjenih podatkov poslužuje in- tegriranih enot mikrokrmilnika: sistemske ure, analogno-digitalnega pretvornika, I 2 C gonilnika ter UART naprave. Prenos meritev med merilno postajo in aplikacijo v oblaku preko krajših raz- dalj je možen s pomočjo Wi-Fi komunikacijskega protokola, medtem ko LoRa- WAN protokol omogoča komunikacijo na daljše razdalje. V primeru uporabe mikroračunalnika kot Wi-Fi komunikacijske enote je s pomočjo vgrajenega pro- gramatorja EDBG prav tako možno programiranje mikrokrmilnika na razdaljo. Aplikacija v oblaku je bila zasnovana v Node.js programskem okolju ter služi hranjenju in analizi podatkov. Dostop do nje je omogočen preko API vmesnika, razvitega v skladu z REST smernicami. Aplikacija uporablja MongoDB podat- kovno bazo, kjer se poleg meritev hranijo tudi podrobnosti o posamezni merilni postaji, njenemu lastniku ter rezultatih periodičnih analiz, hkrati pa v njej naj- demo modele različnih turbin, uporabljenih v analizah. Ker se meritve vetra navadno izvajajo na višini 10 m, jih je potrebno ekstra- polirati na višino vetrne turbine. To je narejeno s pomočjo logaritemskega ekstra- polacijskega algoritma, katerega koeficiente določa razgibanost površja v okolici merilne postaje. Skupaj z modelom turbine ekstrapolirani podatki o hitrosti ve- tra tvorijo moč, ki jo turbina proizvaja. Ob podatku o času trajanja intervalov merjenja podatek o moči nato pretvori v količino proizvedene električne energije. S pomočjo prototipa merilne postaje, ki je meril hitrost vetra med septembrom 2018 in avgustom 2019, je bil skupaj z modeli turbin med 9.8 kW in 3 MW nominalne moči izračunan približek letnega donosa. Ta bi za omenjene vetrne turbine znašal med 3.950 in 817.000 kWh električne energije, oziroma med 647 in 134.000 €. Zanimivejši podatek za potencialno investicijo je ta, da bi 20 kW vetrna turbina, postavljena na višini 30 m med hišami v vasi Hrib v Loškem Potoku, na letni ravni ustvarila donos 1.850 €. Na isti lokaciji bi na 100 m višine vetrna turbina z 2.000 kW priključne moči ustvarila količino električne energije v vrednosti 127.000 €. Ob tovrstnih podatkih se poraja vprašanje, kakšen bi bil donos na lokaciji izven naselja, ki je bolj izpostavljena vetru. Konec zajema podatkov s prvotnim prototipom sovpada s postavitvijo nove merilne postaje. Ta uspešno poroča podatke od konca septembra 2019 in bo v bodoče nudila vpogled v ostale okoljske spremenljivke ter njihov vpliv na vetrno energijo