BR112014022619B1

BR112014022619B1 - Unidade de energia renovável com conexão simplificada

Info

Publication number: BR112014022619B1
Application number: BR112014022619-9A
Authority: BR
Inventors: Gianni Francescutto; Antoine Toth; Alexandre Closset
Original assignee: Belenos Clean Power Holding Ag
Priority date: 2012-03-14
Filing date: 2013-03-13
Publication date: 2021-06-15
Also published as: ZA201406478B; WO2013135777A3; CN104170202A; CO7141438A2; MX336379B; HK1204511A1; CL2014002428A1; AU2013231238B2; EP2826123A2; EP2826123B1; JP2015516621A; ES2567479T3; AU2013231238A1; WO2013135777A2; JP6155288B2; CN104170202B; US20150028679A1; US9917439B2; MX2014011014A

Abstract

unidade de energia renovável com conexão simplificada. a presente invenção refere-se a um dispositivo eletrônico (10) compreendendo um módulo de fornecimento de potência (19) conectado a um sistema conversor (100), em que referido módulo de fornecimento de potência compreende uma pluralidade de elementos (18) para produzir eletricidade a partir de energia renovável conectados em série e referidos elementos (18) para produzir eletricidade a partir de energia renovável são montados em grupos (22), caracterizado pelo fato de que o sistema conversor compreende uma pluralidade de circuitos reguladores (40), cada circuito regulador é conectado a um grupo de elementos (18) para produção de eletricidade a partir de energia renovável, de modo que cada grupo (22) de elementos para produzir eletricidade a partir de energia renovável pode ser controlado separadamente.

Description

[001] A presente invenção refere-se a um dispositivo eletrônico compreendendo um módulo de fornecimento de potência conectado a um sistema conversor, em que referido módulo de fornecimento de potência compreende uma pluralidade de elementos para produzir eletricidade a partir de energia renovável conectados em série e referidos elementos para produzir eletricidade a partir de energia renovável são montados em grupos.

FUNDAMENTO TECNOLÓGICO

[002] Sistemas solares instalados em habitações ou edifícios públicos e comerciais são conhecidos. Estes sistemas solares são geralmente compostos de uma pluralidade de unidades solares 1 mostradas na Figura 1, em que cada unidade compreende um painel solar 2 conectado a um sistema conversor 11. Todos os sistemas conversores são conectados a um sistema distribuidor, o qual é responsável por enviar a eletricidade produzida à rede de eletricidade pública ou à rede de eletricidade das habitações ou prédio público ou comercial. Este distribuidor permite a eletricidade produzida pelos painéis solares ser vendida ou usada para reduzir a dependência da rede de eletricidade pública.

[003] Cada painel solar compreende uma pluralidade de células fotovoltaicas 3, cada uma compreendendo um terminal positivo e um terminal negativo. Estas células fotovoltaicas são conectadas em série, cada painel solar, assim, compreendendo uma primeira célula e uma última célula. Estas células fotovoltaicas são montadas sob a fotovoltaicas. Por exemplo, um painel solar compreendendo doze células fotovoltaicas consiste em três grupos de quatro células fotovoltaicas. Em geral, as células fotovoltaicas são dispostas em linhas e colunas e cada linha de células fotovoltaicas forma um grupo.

[004] Cada painel solar também compreende uma pluralidade de diodos de proteção 5 conectados em série, em que cada diodo de proteção é conectado em paralelo a um dos grupos 4. Se é, portanto, entendido que o terminal negativo da primeira célula fotovoltaica do grupo é conectado ao ânodo do diodo e o terminal positivo da última célula fotovoltaica do grupo é conectado ao cátodo do diodo. Este arranjo permite as células fotovoltaicas serem protegidas por evitar a corrente de um grupo de células fotovoltaicas passar para as células fotovoltaicas de um outro grupo.

[005] O terminal positivo da primeira célula fotovoltaica e o terminal negativo da última célula fotovoltaica são conectados ao sistema conversor 11. Este último compreende uma unidade reguladora 6 compreendendo uma pluralidade de circuitos reguladores 7, os quais são dispostos em paralelo e são controlados em modulação de modo que um único circuito regulador 7 é ativo em um dado instante. Os sinais fornecidos pelos circuitos reguladores são enviados para um conversor DC/AC 8 responsável pela transformação de uma tensão contínua em corrente alternada na saída Sout.

[006] A desvantagem deste sistema resulta do uso de diodos de proteção, também conhecidos como diodos de desvio. Na verdade, estes diodos são componentes que consomem energia e levam a uma redução na eficiência do sistema solar. A eficiência é uma característica muito importante nos dias de hoje, se é pretendido que esta fonte de energia deva, eventualmente, ser capaz de substituir os combustíveis fósseis atuais.

[007] Estes diodos também tem a desvantagem de serem frágeis e caros, o que exige atenção. É, portanto, entendido que tais diodos devem ser soldados à mão porque a utilização de um processo automatizado correria o risco de quebra significativa e, por conseguinte, têm um custo igualmente significativo.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[008] O objetivo da presente invenção é anular as desvantagens por fornecer um dispositivo eletrônico com um módulo de fornecimento de potência que é mais simples de configurar, menos oneroso e que garante proteção do módulo de fornecimento de potência em associação com uma maior eficiência.

[009] Para isso, a invenção refere-se a um dispositivo eletrônico que compreende um módulo de fornecimento de potência conectado a um sistema conversor, em que referido módulo de fornecimento de potência compreende uma pluralidade de elementos para produzir eletricidade a partir de energia renovável conectados em série e referidos elementos para produzir eletricidade a partir de energia renovável são montados em grupos caracterizados pelo fato de que o sistema conversor compreende uma pluralidade de circuitos reguladores, em que cada circuito regulador é conectado a um grupo de elementos para produzir eletricidade a partir de energia renovável de modo que cada grupo de elementos para produzir eletricidade a partir de energia renovável pode ser controlado separadamente.

[010] Em uma primeira modalidade vantajosa, o sistema conversor compreende adicionalmente um microcontrolador para controlar os circuitos reguladores por modulação de largura de pulso.

[011] Em uma segunda modalidade vantajosa os circuitos reguladores habilita rastreamento do ponto de máxima potência dos elementos para produzir eletricidade a partir de energia renovável.

[012] Em uma terceira modalidade vantajosa em que cada grupo compreende um número idêntico de elementos para produzir eletricidade a partir de energia renovável.

[013] Em outra modalidade vantajosa os elementos para produzir eletricidade a partir de energia renovável são células fotovoltaicas.

[014] Em outra modalidade vantajosa os elementos para produzir eletricidade a partir de energia renovável são turbinas eólicas.

[015] Em outra modalidade vantajosa os elementos para produzir eletricidade a partir de energia renovável são turbinas hidrelétricas.

[016] A vantagem deste dispositivo é que cada grupo de células fotovoltaicas é controlado independentemente. Isto permite, assim, cada grupo ser regulado individualmente.

[017] Além disso, esta configuração permite a conexão dos painéis solares ser simplificada, uma vez que não incluem mais diodos integrados. De fato, uma vez que cada circuito regulador é conectado diretamente aos terminais de um grupo de células fotovoltaicas, a corrente não pode passar de um grupo para outro. Diodos de proteção que bloqueiam a corrente e a impedem de passar de um grupo para outro não são, portanto, necessários. Os custos de produção são reduzidos e o processo de produção é simplificado porque os painéis solares já não incluem qualquer componente além das células fotovoltaicas.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[018] Os objetivos, vantagens e características da presente invenção vão tornar-se mais claros a partir da seguinte descrição detalhada de uma modalidade exemplar do dispositivo eletrônico de acordo com a invenção, em que esta modalidade apenas é dada meramente para fins ilustrativos não restritivos em associação com os desenhos em anexo:- A Figura 1 mostra uma unidade de fornecimento de potência de acordo com a técnica anterior;- A Figura 2 mostra uma unidade de fornecimento de potência de acordo com a invenção;- A Figura 3 mostra um circuito regulador de acordo com a invenção; e- As Figuras 4 a 6 são cada diagramas de circuito dos reguladores da unidade de fornecimento de potência de acordo com a invenção;- As Figuras 7A, 7B e 7C mostram diferentes fases de operação da unidade de fornecimento de potência de acordo com a invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[019] A Figura 2 mostra um dispositivo eletrônico tal como uma unidade de fornecimento de potência 10 de acordo com a invenção. Esta unidade de fornecimento de potência 10 compreende um módulo de fornecimento de potência 19 conectado a um sistema conversor 100. O módulo de fornecimento de potência 19 é constituído por uma pluralidade de elementos 18 para produzir eletricidade, tais como, por exemplo, elementos para produzir eletricidade a partir de energia renovável. Por exemplo, o módulo de fornecimento de potência 19 é um módulo solar 20 ou painel solar. O painel solar 20 compreende uma pluralidade de células fotovoltaicas 21. Cada célula fotovoltaica 21 compreende um terminal positivo e um terminal negativo. As células fotovoltaicas 21 são conectadas em série. Deve ser entendido que o módulo solar 20 da unidade de fornecimento de potência 10 pode, evidentemente, ser substituído por um módulo de turbina eólica compreendendo turbinas eólicas ou turbinas minieólicas conectadas em série ou por um módulo hidroelétrico compreendendo turbinas ou miniturbinas hidroelétricas conectadas em série. Além disso, o módulo solar 20 da unidade de fornecimento de potência 10 pode ser substituído por um módulo eletroquímico compreendendo células eletroquímicas conectadas em série.

[020] Estas células fotovoltaicas 21 são montadas em grupos 22 de modo que cada um dos grupos 22 é formado por pelo menos uma célula fotovoltaica 21 ou, de preferência, por várias células fotovoltaicas adjacentes 21. Cada grupo 22 de células fotovoltaicas compreende, portanto, um terminal positivo e um terminal negativo. Deve entender-se que o terminal positivo da primeira célula fotovoltaica 21 do grupo é o terminal positivo do grupo e que o terminal negativo da última célula fotovoltaica 21 do grupo é o terminal negativo do grupo. Os grupos 22 de células fotovoltaicas podem preferivelmente consistir de um número idêntico ou diferente de células fotovoltaicas 21.

[021] O sistema conversor 100 compreende uma pluralidade de circuitos reguladores 40 conectados em paralelo. Cada circuito regulador 40, mostrado na Figura 3, compreende um transformador T1 em série com elementos de comutação C1. Cada circuito regulador 40 compreende, adicionalmente, um elemento de medição de corrente I1 disposto em série com os elementos de comutação C1. O transformador T1, elementos de comutação C1 e o elemento de medição de corrente I1 são dispostos em paralelo com as células fotovoltaicas 21. Cada circuito regulador 40 também compreende um retificador R1 conectado à saída do transformador T1 para fornecer uma tensão intermediária. Por conseguinte, é entendido que cada circuito regulador 40 tem seu próprio retificador R1.

[022] Cada circuito regulador 40 é de preferência um regulador de MPPT (rastreamento de ponto de máxima potência), ou seja, um circuito regulador 40 que permite rastreamento do ponto de máxima potência de um gerador elétrico não linear. Na verdade, um gerador fotovoltaico é um gerador em que a característica da corrente em função da tensão é altamente não linear. Consequentemente, para a mesma iluminação, a potência fornecida irá ser diferente de acordo com a carga. Um circuito regulador de MPPT 40 permite, assim, o conversor estático conectando a carga (uma bateria, por exemplo) e o painel fotovoltaico, isto é, o módulo solar 20, ser controlado a fim de fornecer continuamente a potência máxima para a carga.

[023] A unidade de fornecimento de potência 10 compreende, adicionalmente, um microcontrolador 80 que controla os circuitos reguladores 40 por meio de um controle deslocado no tempo. Em outras palavras, os circuitos reguladores 40 são controlados por modulação de largura de pulso e são comutados sucessivamente em uma janela de tempo determinada. Para alcançar este objetivo, o microcontrolador 80 envia um sinal para os elementos de comutação C1 de cada circuito regulador 40.

[024] Vantajosamente, de acordo com a invenção, cada grupo 22 de células fotovoltaicas 21 é diretamente conectado pelos seus terminais positivo e negativo para um circuito regulador 40 de modo que os grupos de células fotovoltaicas 21 são dispostos em paralelo um ao outro. Esse arranjo permite os diferentes grupos 22 tornarem-se independentes. Além disso, esta independência dos grupos 22 a partir de um com para outro permite cada grupo 22 de células fotovoltaicas 21 ser protegido. De fato, por ter grupos de células fotovoltaicas 22 que são independentes uns dos outros, isto é, cada grupo sendo conectado a um circuito regulador, a corrente pode ser impedida de se difundir a partir de um grupo para outro grupo. Na verdade, no caso de um problema em uma célula fotovoltaica 21, uma anomalia de corrente aparece e os circuitos reguladores 40 tenderão a tentar minimizar esta anomalia. Esta anomalia tenderá difundir-se depois para outras células 21. Em contraste, no caso de grupos 22 de células fotovoltaicas 21 que são independentes um do outro, uma anomalia de corrente irá difundir para outras células 21 dos grupos de células fotovoltaicas, mas não em os outros grupos de células fotovoltaicas.

[025] Cada grupo 22 de células fotovoltaicas 21 é, portanto, controlado individualmente e otimização também é realizada individualmente para cada grupo 22. Na verdade, uma vez que cada grupo 22 tem seu próprio circuito regulador 40, cada regulador atua de forma independente. Como um resultado disto, se uma das células fotovoltaicas 21 de um grupo cai em eficiência, o circuito regulador 40 do grupo vai corrigi-la.

[026] Além disso, este controle individual dos grupos 22 de células fotovoltaicas 21 significa menos impacto sobre os módulos de fornecimento de potência 19. Em realidade, com este tipo de instalação, o controle pelos circuitos reguladores 40 é conduzido de modo que todas as células fotovoltaicas 21 são fornecidas pela mesma corrente. A Figura 7A mostra que sem sombra na pluralidade de módulos solares 20 constituídos por uma pluralidade de células fotovoltaicas 21, é evidente que cada módulo 20 entrega potência P.

[027] Por conseguinte, se as células fotovoltaicas 21 não estão em grupos, a diminuição da corrente de uma célula fotovoltaica 21 resultante da sombra então provoca uma diminuição na corrente em todas as células fotovoltaicas 21, como é evidente na Figura 7B.

[028] Com a configuração da invenção, em que as células fotovoltaicas 21 são montadas em grupos 22 de células fotovoltaicas, cada controlada por um circuito regulador, a presença de sombra no nível de uma célula fotovoltaica 21 de um grupo 22 de células fotovoltaicas apenas afetará referido grupo 22 e não os outros. Como resultado, os outros grupos de células fotovoltaicas 22 continuam a funcionar na sua capacidade máxima, como é evidente na Figura 7C.

[029] Um controle de modulação de largura de pulso, como mostrado nas Figuras 4 a 6, é usado para o controle destes circuitos reguladores 40. Este controle consiste em atuar sobre os elementos de comutação C1 de cada circuito regulador 40 MPPT1, MPPT2 e MPPT3 de modo que estes circuitos reguladores 40 são mais ou menos condutivos. O controle é enviado para os circuitos reguladores 40 de modo que um único circuito regulador 40 é condutivo em um dado instante.

[030] Para isso, é concebível que o controle dos circuitos reguladores 40 seja deslocado em fase. Na verdade, por deslocar fase dos sinais de controle dos circuitos reguladores 40, é possível adaptar a operação da unidade de fornecimento de potência 40 como uma função da saída de potência requerida a partir da unidade de fornecimento de potência 10. Assim, no caso de baixa potência, o controle de deslocamento de sinal é configurado de modo que um circuito regulador é ativado em cada período de tempo. Isto significa que cada circuito regulador 40 é ativado uma vez a cada três períodos, como é evidente a partir da Figura 4.

[031] Para taxas de potência mais elevadas requeridas, pode ser fornecido que os circuitos reguladores 40 são ativados no mesmo período, mas deslocados de fase, como é evidente nas Figuras 5 e 6. Esta configuração permite os circuitos reguladores 40 serem conectados de modo a permitir mais corrente, e, por conseguinte, uma potência superior, passar através. Isto significa, portanto, que todos os circuitos reguladores são ativados em cada período de modo que um único circuito regulador 40 é ativo em um dado instante, como evidente na Figura 5.

[032] No presente caso mostrado na Figura 2 com três grupos de células fotovoltaicas com uma elevada potência requerida, o deslocamento é um terço de um período, ou seja, T/3, de modo que no instante t = 0 o primeiro circuito regulador 40 MPPT1 ativa com uma largura de pulso que varia de 0 a T/3. Em t = T/3 o segundo circuito regulador 40 MPPT2 ativa com uma largura de pulso variando de T/3 a 4T/3. No instante t = 2T/3 o terceiro circuito regulador 40 MPPT3 ativa com uma largura de pulso que varia de 2T/3 a 5T/3, como é evidente na Figura 6 As ativações sobrepõem.

[033] Esta maneira de controlar os circuitos reguladores 40 MPPT1, MPPT2 e MPPT3 permite a frequência de operação ser virtualmente aumentada. De fato, em vez de existir uma ativação dos circuitos reguladores 40 MPPT1, MPPT2 e MPPT3 por período, há três ativações por período, como é evidente na Figura 5. Mais particularmente, existem componentes, tais como capacitores de desvio que veem um aumento em frequência de ativação dos circuitos reguladores 40.

[034] Capacitores têm uma impedância que é dependente da frequência. Por conseguinte, se a frequência aumenta, é possível reduzir o valor do capacitor enquanto mantendo a mesma impedância. Além disso, uma vez que o tamanho e os custos de um capacitor são ligados ao seu valor de farad, uma diminuição do mesmo resulta em uma redução no tamanho e no preço dos capacitores de desvio sem reduzir sua eficácia.

[035] Os sinais fornecidos pelos circuitos reguladores são enviados para uma fase de conversor DC/AC 50, isto é, uma fase que converte a tensão contínua fornecida pelos circuitos reguladores 40 MPPT em corrente alternada que é compatível com a rede. A tensão fornecida em saída Sout desta fase de conversor DC/AC 50 é, por exemplo, uma tensão alternada de 110 a 230 VAC e uma frequência de 50 a 60 Hz.

[036] Deve ser entendido, que várias modificações e/ou aperfeiçoamentos e/ou combinações que são evidentes para um perito na técnica podem ser aplicados para as diferentes modalidades da invenção acima descritas sem afastamento do âmbito da invenção tal como definido pelas reivindicações anexas.

Claims

1. Dispositivo eletrônico (10) compreendendo um módulo de fornecimento de potência (19) conectado a um sistema conversor (100), em que referido módulo de fornecimento de potência compreende uma pluralidade de elementos (18) para produzir eletricidade a partir de energia renovável conectados em série e referidos elementos (18) para produzir eletricidade a partir de energia renovável são montados em grupos (22), caracterizado pelo fato de que o sistema conversor compreende uma pluralidade de circuitos reguladores (40), cada circuito regulador é conectado a um grupo de elementos (18) para produzir eletricidade a partir de energia renovável de modo que cada grupo (22) de elementos para produzir eletricidade a partir de energia renovável pode ser controlado separadamente.

2. Dispositivo eletrônico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema conversor (100) compreende ainda um microcontrolador (80) para controlar os circuitos reguladores (40) por modulação de largura de pulso.

3. Dispositivo eletrônico, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que os circuitos reguladores (40) habilitam rastreamento do ponto de máxima potência dos elementos (18) para produzir eletricidade a partir de energia renovável.

4. Dispositivo eletrônico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que cada grupo (22) compreende um número idêntico de elementos (18) para produzir eletricidade a partir de energia renovável.

5. Dispositivo eletrônico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que os elementos (18) para produzir eletricidade a partir de energia renovável são células fotovoltaicas (21).

6. Dispositivo eletrônico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que os elementos (18) para produzir eletricidade a partir de energia renovável são turbinas eólicas.

7. Dispositivo eletrônico, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que os elementos (18) para produzir eletricidade a partir de energia renovável são turbinas hidroelétricas.