Si tratta di una soluzione per la gestione integrata di un impianto solare termico e una caldaia per la produzione dell’acqua calda sanitaria. Permette di gestire in modo ottimale il flusso di acqua calda prodotta dai pannelli solari, per limitare o escludere l’intervento della caldaia nei periodi estivi e utilizzare la caldaia per integrare l’effetto dei pannelli solari quando l’irraggiamento solare non è sufficiente a garantire la temperatura minima richiesta per il consumo di acqua sanitaria. E’ composto da un sensore, posizionato in prossimità del pannello solare, che misura la temperatura dell’acqua calda e la trasmette ad una unità centrale localizzata in prossimità della caldaia. L’unità centrale, sulla base della temperatura di scambio configurata dall’utente, decide se deviare il flusso d’acqua calda proveniente dall’accumulo solare direttamente verso le utenze sanitarie oppure farlo passare attraverso la caldaia per integrare l’energia termica e quindi la temperatura dell’acqua al livello desiderato. La deviazione del flusso avviene mediante una valvola di scambio a tre vie che lavora in due posizioni:
Posizione di Bypass: quando la temperatura dell’accumulo solare è superiore alla temperatura di scambio, il flusso di acqua calda proveniente dall’accumulo solare “scavalca” la caldaia che rimane inattiva per la produzione di acqua sanitaria.
Posizione di Integrazione: quando la temperatura dell’accumulo solare è inferiore alla temperatura di scambio, il flusso di acqua (preriscaldata) proveniente dall’accumulo solare viene fatto viene fatto passare attraverso la caldaia che innalza la temperatura dell’acqua al livello necessario alle esigenze del consumo sanitario.
Il sensore è alimentato da un pannello solare e una batteria tampone e trasmette i dati all’unità centrale su onde radio alla frequenza di 433Mhz.
L’unità centrale comanda la valvola di scambio e decide la direzione del flusso di acqua calda sulla base della temperatura dell’accumulo solare ricevuta dal sensore e la temperatura di scambio impostata.
In aggiunta, l’unità centrale raccoglie informazioni ambientali esterne quali la temperatura e l’umidità e controlla lo stato di riempimento del serbatoio per la raccolta della condensa prodotta dalla caldaia (nel caso di caldaie a condensazione non dotate di scarico libero).
L’unità centrale può essere collegata alla rete WiFi domestica per trasmettere tutte le informazioni di funzionamento dell’impianto sulla rete Internet per il monitoraggio remoto dello stato dell’impianto.
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Il Sensore
Di seguito lo schema a blocchi del sensore:
Diagramma a blocchi del sensore
Lo schema comprende:
Unità centrale di elaborazione (CPU)
Modulo di trasmissione radio a 433Mhz e relativa antenna
Sensore di temperatura esterno (temperatura accumulo solare)
Sensore di temperatura interno
Sensore di corrente e tensione della batteria
Batteria di backup
Modulo UPS a 5v
Regolatori di tensione a 3.3v
Il sensore è alloggiato all’interno di una scatola stagna con coperchio trasparente sotto il quale è posizionato un pannello solare per la produzione dell’energia elettrica necessaria all’alimentazione della scheda elettronica. Un modulo UPS e una batteria tampone completano la sezione di alimentazione per garantire che il sensore possa continuare a trasmettere dati per diversi giorni anche in assenza di sufficiente irraggiamento solare.
La temperatura dell’accumulo solare è misurata mediante una sonda basata sul sensore Dallas DS18B20.
Il dato di temperatura così come di altri parametri di funzionamento interno del sensore (livello della batteria, corrente di carica/scarica, temperatura interna del box), sono trasmessi all’unità centrale utilizzando il modulo radio con frequenza di trasmissione a 433Mhz.
La seguente figura mostra la scheda elettronica del sensore.
Il componente (1) è il cuore della scheda che si basa sul microcontrollore Atmel ATmega328p prodotto da Microchip Technology (rif. [1]). Il componente (2) è il modulo di trasmissione dati LoRa Ra-02 prodotto da AI-Thinker e basato sul chip SX1278 (rif. [2]) che lavora alla frequenza di 433MHz. Il componente (3) è il modulo UPS che, collegato al pannello solare e alla batteria tampone, fornisce una fonte di alimentazione regolata a 5V necessaria per il funzionamento della scheda elettronica.
La scheda è anche accessoriata con due componenti opzionali: il primo (4) è un amplificatore strumentale utilizzato per misurare la corrente che fluisce da e verso la batteria tampone. In questo modo è possibile misurare, oltre allo stato di carica, anche l’intensità della corrente di carica o scarica della batteria. L’intensità della corrente di carica della batteria è anche un buon indicatore dell’intensità dell’irraggiamento solare e può essere utilizzato per il monitoraggio ambientale. Il secondo componente opzionale è un sensore di temperatura, realizzato mediante il termistore attivo MCP9700 prodotto da Microchip Technology (rif. [4]) che permette di ottenere misure di temperatura in un intervallo piuttosto ampio che va dai -40 a 125 °C e misure precise nell’intervallo tipico di funzionamento di questo apparato (-10 a 50°C). Questo sensore serve per misurare la temperatura interna della scatola dove è alloggiata l’elettronica del sensore e permette, oltre al monitoraggio dei limiti di funzionamento, anche l’adeguamento di eventuali parametri di funzionamento interni al sensore in funzione della temperatura.
La seguente figura mostra l’alloggiamento delle componenti elettroniche del sensore all’interno della scatola elettrica.
Figura 2. Alloggiamento delle componenti del sensore nella scatola elettrica
Nella scatola elettrica, oltre alla scheda di controllo del sensore descritta in precedenza, trova alloggiamento la batteria tampone (1). Quest’ultima è inserita all’interno di un contenitore cilindrico di alluminio ancorato alla scatola elettrica mediante clips di pvc ed è collegata alla scheda di controllo mediante un cavetto sul quale è inserito in serie un circuito di protezione della batteria da carica/scarica eccessiva o sovracorrenti (2). Il sensore di temperatura (3) è inserito all’interno di una capsula impermeabile e collegato alla scheda di controllo mediante un cavetto elettrico protetto da un tubo di rivestimento di acciaio. Nello specifico è stato utilizzato un semplice flessibile per doccia che permette di preservare in modo ottimale l’integrità del cavo elettrico dagli agenti atmosferici.
La batteria è tenuta in carica da un pannello solare posto sotto la superficie interna del tappo trasparente della scatola elettrica (figura 3).
Figura 3. Pannello solare per la ricarica della batteria
Sotto il pannello solare, nella parte interna del coperchio è inserito un pannello di MDF opportunamente sagomato e sigillato con del silicone ai bordi per creare una intercapedine fra il pannello solare e l’interno della scatola (figura 4). Non visibile in figura l’intercapedine è stata riempita con gomma piuma.
Figura 4. Parte interna del coperchio.
L’intercapedine permette di ottenere un isolamento termico fra il coperchio e l’interno della scatola elettrica e limitare l’innalzamento di temperatura che si crea all’interno della scatola nei mesi estivi quando l’irraggiamento solare è molto intenso.
Nel montaggio finale, la scatola del sensore assemblata è posizionata sul tetto in prossimità del boiler di raccolta dell’acqua calda. La capsula con il sensore di temperatura è inserita all’interno in un pozzetto cilindrico posto su un fianco del boiler (normalmente i boiler per la raccolta di acqua ne sono dotati per la misura di temperatura mediante sonde analogiche – nel caso in esame la sonda analogica è stata rimossa e sostituita con la sonda digitale).
Unità centrale
L’unità centrale è il cuore della soluzione, di seguito lo schema a blocchi:
Schema a blocchi dell’unità centrale
Lo schema comprende:
Unità centrale di elaborazione (CPU)
Modulo di trasmissione radio a 433Mhz e relativa antenna
Modulo per la connessione WiFi 2.4Ghz e relativa antenna
Display LCD a caratteri (16×2)
Modulo relay per il controllo della valvola di scambio
Sensore di temperatura e umidità esterno
Sensore di peso
Pulsante multifunzione di controllo
Led di stato/accensione
Regolatori di tensione a 5v e 3.3v
La figura seguente mostra il pannello frontale dell’unità di controllo:
Figura 5. Unità di controllo
L’elettronica è alloggiata all’interno di una scatola elettrica. Sul pannello frontale è alloggiato il display (1) per la visualizzazione dei parametri e dello stato di funzionamento interno, il pulsante multifunzionale (2) con il quale è possibile scorrere le diverse viste del display e azionare i comandi per la configurazione e la regolazione dei parametri di funzionamento dell’unità, la manopola per la regolazione della temperatura di scambio (3), i led indicatori che permettono di verificare a colpo d’occhio lo stato di salute di alcune funzioni “vitali” dell’apparato: questi sono la spia di accensione (4), lo stato del collegamento radio con il sensore di temperatura remoto (5), lo stato del collegamento alla rete WiFi (6). Le immagini che seguono mostrano le pareti laterali dell’unità.
Figura 6. Pareti esterne dell’unità centrale, nell’ordine: la parete sinistra, quella inferiore e quella di destra
Sulla parete di sinistra è posizionata l’antenna WiFi (1), sulla parete inferiore si trova il cavetto di collegamento con il sensore di temperatura e umidità ambientale (2) e il connettore ausiliario (3), utilizzato in questo progetto per il collegamento con il sensore per misurare il livello di riempimento della tanica per la raccolta della condensa posta alla base della caldaia. Sulla parete di destra si trova il connettore di alimentazione a 12V/1A (4) e il connettore necessario per pilotare la valvola di scambio a tre vie (5).
All’interno della scatola è posizionata la scheda elettronica principale (Figura 7) che ospita le seguenti componenti: (1) è la CPU che si basa sul microcontrollore Atmel ATmega328p (rif. [1]), (2) è il modulo WiFi per il collegamento alla rete internet che si basa sul chip ESP8266, (3) è il modulo di trasmissione dati LoRa Ra-02 (rif. [2]). Il modello del modulo WiFi è il noto ESP-07S prodotto da Ai-Thinker (rif. [3]) che è dotato di un connettore esterno per il collegamento dell’antenna WiFi.
Figura 7. L’interno dell’unità di controllo, scheda principale
Sotto la scheda elettronica principale è posizionata una scheda secondaria (Figura 58) che monta una coppia di relè (1) necessari per pilotare la valvola di scambio a tre vie. Inoltre, l’immagine svela il modulo HX711 (2) posizionato sulla faccia posteriore della scheda principale. Tale modulo è l’interfaccia con il sensore che misura il peso e quindi il livello di riempimento della tanica per la raccolta della condensa.
Figura 8. L’interno dell’unità di controllo, scheda secondaria
La tanica per la raccolta della condensa poggia su una bilancia realizzata da due piastre parallele interconnesse mediante un elemento di torsione (cella di carico) che rappresenta il sensore di peso (rif. [5]).
IoT & Monitoring
Come accennato in precedenza, l’unità centrale è dotata di un modulo ESP8266 utilizzato per connettersi alla rete WiFi domestica. In questa soluzione, la connessione Internet viene utilizzata per inviare informazioni di stato generali a un servizio API che le salva in un database. Un’interfaccia Web viene quindi utilizzata per monitorare lo stato del sistema da qualsiasi dispositivo connesso ad Internet. L’immagine seguente mostra la semplice architettura dell’API e il servizio di monitoraggio:
Il gateway API espone un servizio che viene invocato direttamente dall’unità centrale per memorizzare i dati di stato in un database (MySQL). Il server Web espone una pagina Web che mostra le informazioni di stato più recenti nella rappresentazione grafica mostrata di seguito:
Due immagini della pagina di monitoraggio: nella figura a sinistra la temperatura dell’acqua nel serbatoio è superiore alla temperatura di commutazione e quindi la caldaia a gas è bypassata, nella figura a destra la temperatura dell’acqua nel serbatoio è inferiore alla temperatura di commutazione e quindi la caldaia a gas riscalda l’acqua proveniente dal serbatoio solare.
Le informazioni di stato presenti nella pagina di monitoraggio includono:
Stato del flusso
Temperatura dell’acqua del serbatoio di accumulo solare
Livello e stato di carica della batteria del sensore
Temperatura e umidità esterne
Stato di riempimento del serbatoio per la condensa posto sotto la caldaia a gas
Inoltre, la pagina può mostrare vari avvisi di stato:
Lo stato di salute della comunicazione tra l’unità centrale e il sensore
Un allarme quando il livello del serbatoio della condensa è superiore al 90%
