BR102019000995A2 - Sistema fotovoltaico para gerar eletricidade, com módulos de carregamento auxiliares - Google Patents

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Francisco Jesús Fernández Luque
José Antonio Villarejo Mañas
José Ángel Gracia Inglés
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Soltec Energías Renovables, S.L.
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Abstract

é descrito um sistema ou instalação fotovoltaica (1) para geração de eletricidade, incluindo módulos de carregamento auxiliares (2) para cada rastreador solar do sistema fotovoltaico, para carregar ou fornecer energia a um dispositivo auxiliar de fornecimento de energia, tal como uma bateria (7), para alimentar o sistema fotovoltaico durante os estágios iniciais do processo de configuração da usina de geração de energia elétrica, ou durante incidências no funcionamento normal do sistema ou instalação fotovoltaica. além dos módulos de carregamento auxiliares, o sistema fotovoltaico compreende um ou mais rastreadores solares (3), com cada rastreador solar compreendendo uma pluralidade de painéis fotovoltaicos (pv1 ... pvn); um inversor cc / ca (4) para transformar a eletricidade de cc gerada em eletricidade ca, que é então fornecida a uma rede elétrica ou sistema de distribuição de energia elétrica; e um controlador de rastreador solar (5), para cada rastreador solar, que controla vários aspectos de um ou mais rastreadores solares do sistema fotovoltaico.

Description

SISTEMA FOTOVOLTAICO PARA GERAR ELETRICIDADE, COM MÓDULOS DE CARREGAMENTO AUXILIARES
CAMPO TÉCNICO [001] A presente invenção se refere a um sistema fotovoltaico para gerar eletricidade, com o dito sistema incluindo um módulo de carregamento auxiliar que permite que o referido sistema seja alimentado pela eletricidade gerada por pelo menos um painel fotovoltaico, a partir de uma pluralidade de painéis fotovoltaicos conectados em série dispostos em um rastreador solar.
[002] Além disso, o módulo de carregamento auxiliar pode ser conectado a um ou mais rastreadores solares, com cada rastreador solar compreendendo uma pluralidade de painéis fotovoltaicos. Através do uso de uma chave, incluída no módulo de carregamento auxiliar, a fiação elétrica que conecta a pluralidade de painéis fotovoltaicos ao referido módulo de carregamento auxiliar pode ser modificada.
[003] Especificamente, pelo menos um painel fotovoltaico da pluralidade de painéis fotovoltaicos conectados em série pode alternar entre uma conexão em série e uma conexão paralela com o módulo de carregamento auxiliar, e gerar e / ou fornecer, portanto, corrente elétrica para uma bateria do módulo de carregamento auxiliar.
ESTADO DA TÉCNICA [004] No presente estado da arte, é conhecida uma instalação para alimentar equipamentos auxiliares em usinas de geração de energia elétrica, como pode ser visto no pedido de patente n° WO 2017 / 174829 A1, em que a instalação gera uma corrente contínua (CC) através do uso de uma pluralidade de geradores elétricos, tais como painéis fotovoltaicos (PV1 ... PVn) conectados em série, que então fornece a eletricidade de CC gerada a um dispositivo auxiliar de fornecimento de energia (D); o referido dispositivo auxiliar de fornecimento de energia (D) alimenta um dispositivo auxiliar (E), com o dito dispositivo auxiliar (E) podendo ser uma bateria, um controlador de rastreamento para rastreadores solares (que compreendem um ou mais painéis fotovoltaicos) de um parque ou instalação solar.
[005] Além disso, o dispositivo de alimentação auxiliar (D) compreende um conversor de energia de CC (CE) que permite que a tensão enviada seja ajustada de acordo com a
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2/8 bateria ou outro dispositivo auxiliar (E) que deve ser alimentado.
[006] No entanto, esta configuração é limitada, uma vez que apenas permite que os geradores elétricos (painéis fotovoltaicos) sejam conectados em série ao dispositivo auxiliar de fornecimento de energia (D), ao contrário da invenção aqui descrita.
[007] Quando a usina de geração de energia elétrica e os diferentes componentes da referida instalação ainda não estiverem conectados à rede elétrica ou não estiverem em um modo totalmente operacional, o dispositivo auxiliar de fornecimento de energia (D) não pode obter energia gerada pelos geradores elétricos, nem de qualquer outra fonte de energia externa, e portanto eles operarão somente até que a energia armazenada no dispositivo auxiliar de fornecimento de energia (D) tenha sido descarregada.
[008] Portanto, durante os estágios iniciais, quando as usinas de geração necessitam de um fornecimento contínuo de energia para ficarem totalmente operacionais, é necessário que geradores elétricos, especificamente rastreadores solares utilizando uma pluralidade de painéis fotovoltaicos, quando a usina de geração de energia elétrica é um sistema fotovoltaico, fiquem operacionais por vários dias, usando somente a energia armazenada em uma bateria ou outro dispositivo auxiliar de fornecimento de energia.
[009] De maneira a resolver esses problemas, de acordo com este invento, um módulo de carregamento auxiliar [também conhecido como carregador de bateria em série (CBS)] está integrado ao sistema fotovoltaico, conectando os geradores elétricos (painéis fotovoltaicos) ao dispositivo auxiliar de fornecimento de energia.
[010] O módulo de carregamento auxiliar inclui uma chave ou dispositivo de comutação que permite que a pluralidade de painéis fotovoltaicos, normalmente conectados em série ao dispositivo auxiliar de fornecimento de energia, modifiquem sua configuração elétrica, em que pelo menos um painel fotovoltaico fica conectado em paralelo com o dispositivo auxiliar de fornecimento de energia, a fim de fornecer a corrente elétrica gerada por esses painéis fotovoltaicos conectados em paralelo para carregar a bateria e alimentar o sistema fotovoltaico durante os estágios iniciais do processo de configuração da usina de geração de energia elétrica.
BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO [011] Em vista dos problemas previamente citados, a presente invenção provê um
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3/8 sistema ou instalação fotovoltaica para geração de eletricidade, incluindo um módulo de carregamento auxiliar para cada rastreador solar do sistema fotovoltaico, para carregar ou fornecer energia a um dispositivo auxiliar de fornecimento de energia, tal como uma bateria, a fim de alimentar o sistema fotovoltaico durante os estágios iniciais do processo de configuração da usina de geração de energia elétrica ou durante incidências na operação do sistema ou instalação fotovoltaica.
[012] Além do módulo de carregamento auxiliar, o sistema fotovoltaico compreende:
- um ou mais rastreadores solares, com cada rastreador solar compreendendo uma pluralidade de painéis fotovoltaicos que são conectados em série (cadeia), provendo um fornecimento de energia de corrente contínua CC;
- um inversor de CC / CA, para transformar a eletricidade de CC gerada pela citada pluralidade de painéis fotovoltaicos em eletricidade de corrente alternada (CA), que é então fornecida a uma rede elétrica ou a um sistema de distribuição de energia elétrica; e
- um controlador de rastreador solar, para cada rastreador solar, que controla diversos aspectos de um ou mais rastreadores solares do sistema fotovoltaico, tal como para fazer girar os rastreadores solares para reduzir o ângulo de incidência entre a luz emitida pelo sol a qualquer momento e a pluralidade de painéis fotovoltaicos de cada rastreador solar, para aumentar a energia gerada.
[013] O módulo de carregamento auxiliar acima mencionado inclui vários componentes, bem como a bateria, para armazenar ou fornecer eletricidade, conectados ao conversor CC / CC para auxiliarem o sistema fotovoltaico em determinados períodos específicos quando a corrente elétrica é necessária. Os principais componentes são um conversor CC/CC, também conhecido como carregador de bateria em série, conectado à pluralidade de painéis fotovoltaicos, e uma unidade de controle que controla pelo menos uma chave para modificar a conexão elétrica da pluralidade de painéis fotovoltaicos de pelo menos um rastreador solar, conectado ao conversor CC / CC para acumular energia elétrica, e/ou carregar a bateria, e / ou fornecer energia elétrica para o sistema fotovoltaico durante esses determinados períodos específicos, durante os estágios iniciais do processo de configuração da usina de geração de energia elétrica.
[014] O conversor CC / CC permite a conversão de um nível de tensão para outro mais
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4/8 adequado para a bateria ou outros componentes que devem ser alimentados a partir do sistema fotovoltaico, pois a corrente contínua gerada pela pluralidade de painéis fotovoltaicos pode atingir altos níveis de tensão que podem danificar certos componentes elétricos.
[015] Em algumas formas de incorporação, o módulo de carregamento auxiliar pode ainda compreender um segundo conversor CC / CC isolado, conectado em paralelo com o conversor CC / CC e com a bateria, e uma interface de dados entre o controlador de rastreador solar e a unidade de controle do módulo de carregamento auxiliar, que permite que eles troquem informações, dados e / ou comandos relacionados com o seu entorno, tal como o posicionamento dos rastreadores solares ou a necessidade de modificar a configuração elétrica da fiação que conecta a pluralidade de painéis fotovoltaicos ao conversor CC / CC e à bateria do módulo de carregamento auxiliar.
[016] Em algumas formas de incorporação da invenção, pode não ser necessário o uso de uma chave que dependa de uma unidade de controle. O módulo de carregamento auxiliar pode alterar a configuração elétrica dos painéis fotovoltaicos conectados à bateria, de série para paralelo, através do uso de uma comunicação remota por meio de um portal (gateway) e da interface de dados.
[017] Para que o módulo de carregamento auxiliar carregue ou forneça energia à bateria, para alimentar o sistema fotovoltaico durante as etapas iniciais do processo de configuração da usina de geração de energia elétrica, a pluralidade de painéis fotovoltaicos conectados ao conversor CC / CC compreende uma primeira e uma segunda configurações, em que a unidade de controle, através do uso de uma chave ou dispositivo de comutação, determina quando as referidas primeira e segunda configurações são definidas como a configuração predeterminada do sistema fotovoltaico. A chave ou dispositivo de comutação pode ser um semicondutor ou um transistor de potência (levando em consideração que podem ser alcançados valores de 1.000 V a 1.500 V), ou qualquer outro dispositivo conhecido no estado da arte que permita que os painéis fotovoltaicos conectados ao módulo de carregamento auxiliar alternem entre uma configuração serial ou paralela.
[018] A dita primeira configuração é a configuração padrão do sistema fotovoltaico, em
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5/8 que a pluralidade de painéis fotovoltaicos de pelo menos um rastreador solar ficam conectados em série com o conversor CC / CC do módulo de carregamento auxiliar, que por sua vez está conectado à bateria que armazena energia.
[019] Por outro lado, a segunda configuração, na qual pelo menos um dos painéis fotovoltaicos fica conectado em paralelo com o conversor CC / CC do módulo de carregamento auxiliar, e subsequentemente à bateria, tal bateria estando habilitada a fornecer energia ao sistema fotovoltaico, quando solicitado, durante determinados períodos específicos dos estágios iniciais do processo de configuração da usina de geração de energia elétrica.
[020] Quando a segunda configuração é utilizada, o painel fotovoltaico conectado em paralelo com o módulo de carregamento auxiliar fornece energia para a bateria do sistema fotovoltaico, e a pluralidade restante de painéis fotovoltaicos ficam conectados em série e sem conexão com o módulo de carregamento auxiliar, e eles continuam a gerar uma corrente contínua que é direcionada para o inversor CC / CA.
[021] Em algumas formas de incorporação do invento, quando a segunda configuração é definida como a configuração do sistema fotovoltaico, apenas um único painel fotovoltaico da pluralidade de painéis fotovoltaicos de pelo menos um rastreador solar fica conectado em paralelo com o conversor CC / CC do módulo de carregamento auxiliar, e por conseguinte à bateria, para fornecer a energia gerada por esse único painel fotovoltaico ao sistema fotovoltaico.
[022] Outras características da invenção surgirão a partir da seguinte descrição detalhada de uma forma de incorporação.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS [023] As vantagens e características acima mencionadas, e outras, serão mais completamente compreendidas a partir da seguinte descrição detalhada de uma forma de incorporação entendida como ilustrativa e não limitativa, com referência aos desenhos anexos, em que:
- A fig. 1 é uma vista esquemática de um sistema fotovoltaico e dos diferentes elementos que o compõem;
- A fig. 2 ilustra o sistema fotovoltaico com a pluralidade de painéis fotovoltaicos
Petição 870190005505, de 17/01/2019, pág. 27/50
6/8 conectados em série, de acordo com a configuração padrão;
- A fig. 3 ilustra o sistema fotovoltaico com um painel da pluralidade de painéis fotovoltaicos conectado em paralelo.
DESCRIÇÃO DETALHADA DE UMA FORMA DE INCORPORAÇÃO [024] As vantagens e características acima mencionadas, e outras, serão mais completamente compreendidas a partir da seguinte descrição detalhada de uma forma de incorporação entendida como ilustrativa e não limitativa, com referência aos desenhos anexos, em que:
[025] A fig. 1 é uma vista esquemática de um sistema fotovoltaico 1 e dos diferentes elementos que o compõem, tal como um módulo de carregamento auxiliar 2. Nesta forma de incorporação particular, o sistema fotovoltaico 1 compreende apenas um rastreador solar 3 compreendendo uma pluralidade de painéis fotovoltaicos PV1 ... PVn, que ficam conectados em uma primeira configuração em série (conforme observado na figura 2), ou em uma segunda configuração, na qual um dos painéis fotovoltaicos, PV2, fica conectado em paralelo (como observado na fig. 3) com o conversor CC / CC 6, através do uso de uma chave 9.
[026] O sistema fotovoltaico também compreende um inversor CC / CA 4, para transformar a corrente contínua gerada pela pluralidade de painéis fotovoltaicos PV1 .
PVn em uma corrente alternada a ser fornecida a uma rede elétrica principal ou sistema de distribuição de energia elétrica, e um controlador de rastreador 5, que monitora e controla aspectos relativos ao desempenho e ao posicionamento do rastreador solar 3. O controlador de rastreador 5 também está conectado a uma unidade de controle 8, integrada ao módulo de carregamento auxiliar 2 através de uma interface de dados 11 que permite a comunicação entre eles, a fim de trocarem dados, informações e comandos. A comunicação entre o controlador de rastreador 5 e a unidade de controle 8 determina quando a chave 9 deve alterar a configuração da pluralidade de painéis fotovoltaicos PV1 ... PVn entre as primeira e segunda configurações, de acordo com as necessidades do sistema fotovoltaico 1.
[027] Tanto na primeira como na segunda configuração, a pluralidade de painéis fotovoltaicos PV1 ... PVn também ficam conectados ao conversor CC / CC 6, para ajuste do
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7/8 nível da tensão enviada para os elementos subsequentes do módulo de carregamento auxiliar 2, ou para um dispositivo auxiliar de fornecimento de energia, tal como uma bateria 7, que é utilizada para armazenar e fornecer energia ao sistema fotovoltaico 1 em determinados períodos específicos, quando solicitado.
[028] Em certas formas de incorporação do invento, tal como esta, o módulo de carregamento auxiliar 2 pode incluir um segundo conversor CC / CC 10 isolado, conectado em paralelo com o primeiro conversor CC / CC 6 e com a bateria 7.
[029] A fig. 2 ilustra o sistema fotovoltaico com a pluralidade de painéis fotovoltaicos estando na primeira configuração e, portanto, conectados em série. Esta primeira configuração é a configuração padrão para a pluralidade de painéis fotovoltaicos PV1 ... PVn de cada rastreador solar 3, apresentando sua conexão com o módulo de carregamento auxiliar 2 e com a bateria 7 do sistema fotovoltaico 1. Assim como na fig. 1, esta forma de incorporação particular da invenção possui apenas um rastreador solar 3.
[030] Quando a primeira configuração é usada como a configuração definida para os painéis fotovoltaicos PV1 ... PVn do sistema fotovoltaico 1, a chave 9 está em uma primeira posição, definida pela unidade de controle 8 em comunicação com o controlador de rastreador 5 através da interface de dados 11, que permite que todos os painéis fotovoltaicos PV1 ... PVn sejam conectados em série com o conversor CC / CC 6 do módulo de carregamento auxiliar 2.
[031] Na fig. 3, pelo menos um dos painéis fotovoltaicos, que nesta forma de incorporação particular é o painel fotovoltaico PV2, está conectado ao módulo de carregamento auxiliar e em paralelo com o módulo de carregamento auxiliar 2, e os painéis fotovoltaicos restantes continuam a gerar eletricidade CC direcionada para o inversor CC / CA 4.
[032] Para a segunda configuração, a chave 9 está em uma segunda posição definida pela unidade de controle 8, e o painel fotovoltaico PV2 está ligado em paralelo com o conversor CC / CC 6 do módulo de carregamento auxiliar 2, para fornecer a eletricidade de CC gerada pelo referido painel PV2 para a bateria 7 de modo a alimentar o sistema fotovoltaico 1.
[033] Deve ser entendido que várias partes de uma forma de incorporação da invenção
Petição 870190005505, de 17/01/2019, pág. 29/50
8/8 podem ser livremente combinadas com partes descritas em outras formas de incorporação, mesmo que essas combinações não estejam explicitamente descritas, e desde que tais combinações não sejam prejudiciais.

Claims (8)

  1. Reivindicações
    1. Sistema fotovoltaico (1) para gerar eletricidade, compreendendo:
    - um ou mais rastreadores solares (3), com cada rastreador solar (3) compreendendo uma pluralidade de painéis fotovoltaicos (PV1 ... PVn) conectados em série;
    - um inversor CC / CA (4) para fornecer uma corrente contínua gerada pela dita pluralidade de painéis fotovoltaicos (PV1 . PVn);
    - um controlador de rastreador solar (5) e um módulo de carregamento auxiliar (2) para cada rastreador solar (3);
    com o referido módulo de carregamento auxiliar (2) incluindo pelo menos:
    - um conversor CC / CC (6);
    - uma bateria (7) para armazenar energia elétrica, conectada ao conversor CC / CC (6) para auxiliar o sistema fotovoltaico (1) em períodos específicos; e
    - uma unidade de controle (8) que controla pelo menos uma chave para modificar a conexão elétrica da pluralidade de painéis fotovoltaicos (PV1 ... PVn) conectados ao conversor CC / CC (6), para acumular energia elétrica na bateria (7), ou para fornecer energia elétrica ao sistema fotovoltaico (1) durante os referidos períodos específicos; caracterizado por a pluralidade de painéis fotovoltaicos (PV1 ... PVn) conectados ao conversor CC / CC (6) compreenderem:
    - uma primeira configuração, na qual a pluralidade de painéis fotovoltaicos (PV1 ... PVn) ficam conectados em série com o conversor CC / CC (6) do módulo de carregamento auxiliar (2), armazenando energia; e
    - uma segunda configuração, na qual pelo menos um dos painéis fotovoltaicos fica conectado em paralelo com o conversor CC / CC (6) do módulo de carregamento auxiliar (2), e subsequentemente à bateria, tal bateria estando habilitada a fornecer energia ao sistema fotovoltaico (1), com os restantes painéis fotovoltaicos estando conectados em série sem conexão com o módulo de carregamento auxiliar (2);
    em que a unidade de controle (8), através da utilização de um dispositivo de comutação (9), determina quando as referidas primeira e segunda configurações são definidas como a configuração predeterminada do sistema fotovoltaico (1).
    Petição 870190005505, de 17/01/2019, pág. 31/50
  2. 2/2
    2. Sistema fotovoltaico (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a primeira configuração ser a configuração padrão do sistema fotovoltaico (1).
  3. 3. Sistema fotovoltaico (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por, na segunda configuração, os painéis fotovoltaicos conectados em paralelo também fornecerem energia para o sistema fotovoltaico (1), com a pluralidade de painéis fotovoltaicos (PV1 ... PVn) restantes continuando a gerar uma corrente contínua que é direcionada ao inversor CC / CA (6).
  4. 4. Sistema fotovoltaico (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a referida chave (9) ser um semicondutor.
  5. 5. Sistema fotovoltaico (1), de acordo com a reivindicação 1 ou 4, caracterizado por a chave (9) ser um transistor de potência.
  6. 6. Sistema fotovoltaico (1), de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por o módulo de carregamento auxiliar (2) compreender ainda um segundo conversor CC / CC (10) isolado, conectado em paralelo com o conversor CC / CC (6), e uma interface de dados (11) entre o controlador de rastreador solar (5) e a unidade de controle (8) do módulo de carregamento auxiliar (2).
  7. 7. Sistema fotovoltaico (1), de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por, na segunda configuração, apenas um painel fotovoltaico da pluralidade de painéis fotovoltaicos (PV1 ... PVn) estar conectado em paralelo com o conversor CC / CC (6).
  8. 8. Sistema fotovoltaico (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o módulo de carregamento auxiliar alterar a configuração elétrica dos painéis fotovoltaicos conectados à bateria, de série para paralelo, através do uso de uma comunicação remota por meio de um portal (gateway) e uma interface de dados.
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