Politechnika Wrocławska

Laboratorium Fotowoltaniczne SolarLAB

Zaawansowana analiza danych pomiarowych w badaniach naukowych

Laboratorium SolarLAB działające w ramach Wydziału Elektroniki Mikrosystemów i Fotowoltaiki Politechniki Wrocławskiej jest największym tego typu laboratorium w Polsce. Prowadzi prace badawcze w zakresie fotowoltaiki. Jest to dziedzina nauki, techniki i przemysłu zajmująca się zastosowaniem zjawiska fotowoltaicznego do przemiany energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną. Fotowoltaika jest najbardziej przyjazną środowisku technologią wytwarzania energii elektrycznej i przewiduje się, że za około 20-30 lat systemy fotowoltaiczne znajdą powszechne zastosowanie. Według prognoz ceny energii elektrycznej wytworzonej przez systemy fotowoltaiczne już w 2020 roku mogą osiągnąć poziom cen energii wytwarzanej w elektrowniach konwencjonalnych. Do tego jednak konieczny jest dalszy rozwój tej dziedziny i większa aktywność w sferze badawczo - rozwojowej.

Laboratorium SolarLAB posiada długoletnie doświadczenie w zakresie montażu modułów fotowoltaicznych (PV) oraz oceny parametrów i jakości ogniw, modułów i systemów fotowoltaicznych. Laboratorium zajmuje się badaniem modułów PV zainstalowanych w warunkach naturalnych poprzez pomiary prowadzone przy wykorzystaniu wyspecjalizowanych, zaawansowanych systemów pomiarowych. Pomiary takie prowadzone są w laboratorium od 1994 roku, a z wykorzystaniem systemu SAS od około 2004 roku. Aktualnie mierzonych jest w sposób ciągły ponad 30 różnych modułów PV. Pełna charakterystyka prądowo-napięciowa (I-V) i aktualna temperatura mierzona jest dla każdego modułu co 90 sekund, a komplet danych meteorologicznych (natężenie promieniowania słonecznego - globalne i rozproszone, temperatura i wilgotność powietrza, ciśnienie atmosferyczne, prędkość i kierunek wiatru) mierzone są co 60 sekund. Bez jakichkolwiek wyjątków, wszystkie dane pomiarowe podlegają akwizycji.

Potrzeba biznesowa

Dla analizy mierzonych danych niezbędna była efektywna baza danych o szerokim spektrum możliwości obróbki numerycznej i statystycznej. Tradycyjna transakcyjna baza danych nie spełniała norm wydajnościowych w zakresie analizy danych zbieranych na bieżąco z ogniw fotowoltaicznych. Ponadto Laboratorium uczestniczyło w kilku europejskich projektach badawczych w ramach 5-go i 6-go Programu Ramowego (AFRODITE, BIPV-CIS, PV-Catapult, PERFORMANCE), które wymuszały spełnienie dodatkowych wymagań, takich, jak:

• możliwość szybkiej i łatwej wymiany danych z innymi zespołami badawczymi,
• prosta możliwość dostępu i analizy danych w trybie on-line,
• jasno zdefiniowane warunki dostępu do bazy dla poszczególnych użytkowników w celu zapewnienia wymaganej poufności danych.

 

Dzięki zaimplementowaniu systemu SAS analiza danych mierzonych i gromadzonych w trakcie długotrwałego procesu monitorowania modułów fotowoltaicznych w warunkach naturalnych nabrała całkowicie nowego wymiaru jakościowego. Dzięki pracy on-line i uzyskiwaniu wyników skomplikowanych obliczeń w czasie praktycznie rzeczywistym, możliwa stała się analiza pracy elementów fotowoltaicznych w aspekcie bardzo wielu czynników zewnętrznych, a otrzymane wyniki trudne byłyby do uzyskania przy zastosowaniu bardziej tradycyjnych metod. Nie do przecenienia jest przy tym niezwykle uproszczona możliwość współpracy między kilkoma laboratoriami w celu bezpośredniego porównywania i weryfikowania wyników swoich pomiarów. Warto podkreślić, że laboratorium SolarLAB stało się dobrze rozpoznawalnym na "fotowoltaicznej" mapie Europy ośrodkiem, a cały zespół ma poczucie, że zainicjował zupełnie nowatorskie podejście do prac badawczych w dziedzinie fotowoltaiki. Trudno byłoby nam sobie teraz wyobrazić kontynuację podjętych prac bez systemu SAS

dr inż. Tadeusz Żdanowicz
Kierownik SolarLAB

Rozwiązanie

Laboratorium SolarLAB zdecydowało się na wdrożenie narzędzi analitycznych SAS. W oparciu o pakiet narzędzi SAS Enterprise Business Intelligence Server, SAS OLAP Server oraz SAS Enterprise Miner zostało zbudowane dedykowane rozwiązanie obejmujące hurtownię danych z data martem analitycznym oraz portal z możliwością raportowania on-line. W oparciu o hurtownię danych możliwe jest sprawne uzyskanie dowolnych raportów (zdefiniowanych przez użytkownika) oraz szybkie wykonanie najbardziej złożonych analiz.

Baza danych została zorganizowana z punktu widzenia trzech podstawowych zastosowań, tzn.:

• gromadzenie danych pomiarowych,
• zaawansowana analiza danych pomiarowych,
• dostęp do danych poprzez stronę www SolarLAB w celu realizacji pracy w trybie on-line - OLAP i DM (On-Line Analytical Processing oraz Data Mining).

Gromadzenie danych pomiarowych

Dane zbierane są systematycznie z czterech niezależnie funkcjonujących systemów pomiarowych, działających w lokalnej sieci, w oparciu o specjalnie do tego celu dostosowany, komputer klasy przemysłowej. W celu zwiększenia niezawodności (ciągłości) gromadzenia mierzonych danych, utworzona została mniejsza baza danych, w której gromadzone są dane pochodzące z danego dnia. Każdego dnia, po zachodzie słońca, dane te są przesyłane do centralnej bazy (SAS) zainstalowanej na serwerze SolarLAB. Rozwiązanie takie zabezpiecza przed utratą danych w przypadku awarii lub przerwy w funkcjonowaniu sieci lokalnej. Dopiero po transmisji i zapisie w centralnej bazie dane są usuwane z mniejszej bazy, tak by uchronić komputer pomiarowy przed nadmiarem zgromadzonych danych. Komputer odpowiedzialny za pomiary dysponuje informacjami dotyczącymi kanałów pomiarowych, czasu pomiaru oraz dokonuje wstępnej "obróbki" danych przed zapisem w hurtowni danych SAS.

Zaawansowana analiza danych pomiarowych

Po każdym zaimportowaniu dane są obrabiane i umieszczane w bazie SAS w taki sposób, aby ich późniejsza analiza była możliwie najbardziej efektywna. Ostateczny format zapisu danych następuje po aktualizacji indeksowania i obliczeniu dodatkowych parametrów zarówno dla pomiarów "fotowoltaicznych", jak i danych meteorologicznych z wykorzystaniem specjalnie w tym celu napisanych procedur. Wszystkie dane są zmierzone, obliczone i zapisane. Indeksy rekordów z zapisanymi danymi modułów fotowoltaicznych (zmierzonymi i obliczonymi) skorelowane są w czasie z odpowiadającymi im rekordami danych meteorologicznych. Za pośrednictwem strony sieciowej SolarLAB, po zweryfikowaniu prawa dostępu i autoryzacji, wszystkie przygotowane w ten sposób dane mogą być analizowane z wykorzystanie dowolnej przeglądarki sieciowej. Zaawansowane procedury filtrowania pozwalają wybrać i zaprezentować w postaci graficznej w jednej z wielu dostępnych form. Przykładowo: Pm(Tm)=Gi, Pm(Gi)=Tm, Tm(Gi)=Pm, etc., gdzie Pm i Tm są odpowiednio zmierzoną mocą i temperaturą wybranego modułu, a Gi jest wartością natężenia promieniowania słonecznego w chwili wykonywania pomiaru charakterystyki modułu. Każdy pomiar, dla każdego z testowanych modułów fotowoltaicznych, może być zaprezentowany jako kompletna charakterystyka prądowo-napięciowa (I-V) wraz z kompletem parametrów meteorologicznych odpowiadających pomiarowi wybranej charakterystyki. Pełna statystyka danych zbieranych dla każdego z badanych modułów w szerokich przedziałach czasowych (nawet wielu lat) jest dostępna dla użytkownika np. w celu wykonania dodatkowej analizy.

Dostęp do bazy danych w trybie on-line - OLAP, DM

Weryfikacja praw dostępu użytkownika odbywa się na dwóch poziomach: użytkownik musi mieć zezwolenie na wykonanie określonej operacji oraz musi być uprawniony do dostępu do danych dotyczących wybranego modułu PV, na których operacja ma być wykonana. Duża część dokumentacji ze strony SolarLAB jest ogólnie dostępna, jednak pewna jej część - nie. Każdy z zarejestrowanych użytkowników posiada własne, weryfikowane za każdym razem, hasło dostępu do określonej przez administratora grupy dokumentów. Dla każdego z dokumentów dostęp definiowany jest oddzielnie.

Uzyskane korzyści

Hurtownia danych SAS wykorzystywana była w trybie on-line przez partnerów Politechniki Wrocławskiej aż w czterech europejskich projektach badawczych (5. i 6. PR UE) - Afrodite, PV-Catapult, BIPV-CIS i IP PERFORMANCE. W ramach wymienionych projektów partnerzy z wielu państw Unii Europejskiej - takich jak Niemcy, Hiszpania Wielka Brytania, Holandia, Belgia, Włochy, Estonia, Francja, a także Szwajcaria i Izrael - prowadzili analizę zarówno własnych danych pomiarowych wyeksportowanych wcześniej do bazy SAS, jak i danych zmierzonych na stanowiskach badawczych SolarLAB. Wyniki z tych analiz znalazły się w wielu publikacjach zarówno w czasopismach naukowych, jak również były przedmiotem prezentacji na wielu konferencjach międzynarodowych na całym świecie.