ITMI20110982A1 - Dispositivo di sicurezza per un impianto fotovoltaico - Google Patents

Description

Descrizione di una domanda di brevetto per invenzione industriale

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo di sicurezza per un impianto fotovoltaico.

Il ricorso all’ utilizzo di energie alternative si sta sempre di più diffondendo sia per il continuo incremento dei combustibili fossili sia per il pericolo dovuto all’ inquinamento ambientale delle fonti energetiche tradizionali.

Fra queste l’energia elettrica derivata dal sole con impianti fotovoltaici è una di quelle che si sta maggiormente diffondendo sia perché produce energia pregiata pronta all’ utilizzo con impianti particolarmente semplici con scarsa manutenzione e con impatto ambientale praticamente nullo.

La collocazione degli impianti fotovoltaici che viene preferita è quella sulla copertura degli edifici per evitare un’occupazione diretta del suolo per non sottrarre aree utilizzabili per altri scopi e principalmente quelli agricoli.

L’installazione sulle coperture degli edifici integrando i pannelli fotovoltaici nella copertura stessa o addirittura sostituendo la copertura stessa, sono ulteriormente incentivati con un prezzo maggiore riconosciuto al kWh prodotto rispetto ad installazioni non integrate.

Gli impianti fotovoltaici quando sono installati sulla copertura di un edificio di qualunque tipologia (residenziale, terziario, commerciale, industriale, ecc.), presentano alcuni inconvenienti legati alla difficoltà di interrompere la produzione di energia elettrica in situazione di pericolo.

Tra le situazioni di maggior pericolo Γ incendio è quello da prendere in maggiore considerazione.

Le norme di sicurezza prevedono in genere un dispositivo di sezionamento generale sotto carico, azionabile da comando remoto, ubicato in posizione segnalata ed accessibile, in modo da mettere in sicurezza ogni parte dell’ impianto elettrico all’ interno del compartimento antincendio, anche nei confronti dell’impianto fotovoltaico.

Quando rimpianto fotovoltaico è installato sulla copertura di un edificio non si può di fatto separare dall’azione del fuoco rimpianto fotovoltaico dal sottostante compartimento antincendio. In questo caso anche la presenza di un dispositivo di sezionamento generale risolve solo parzialmente il problema mettendo fuori tensione 1’impianto elettrico all’interno del compartimento antincendio con esclusione dell’impianto fotovoltaico che resta in tensione.

In queste condizioni coloro che operano sull’edificio potrebbero dovere fronteggiare un principio di incendio sulla copertura di un fabbricato in presenza di un impianto fotovoltaico in funzione (non sempre gli incendi accadono durante le ore notturne), con la presenza di punti in tensione (connettori staccati, terminali di cavi tagliati ecc.) e la circolazione di correnti elettriche (rischio di archi e scintille).

L’estinzione dell’incendio con un agente elettricamente conduttivo, acqua ad esempio, in questa situazione diventa improponibile.

La copertura dei moduli fotovoltaici con conseguente spegnimento dell’impianto fotovoltaico è parimenti improponibile.

L’intervento di spegnimento da parte dei vigili del fuoco in questa situazione non è esente da gravi pericoli e ritardi.

Compito tecnico che si propone la presente invenzione è, pertanto, quello di realizzare un dispositivo di sicurezza per un impianto fotovoltaico che consenta di eliminare gli inconvenienti tecnici lamentati della tecnica nota.

Nell’ambito di questo compito tecnico uno scopo dell’invenzione è quello di realizzare un dispositivo di sicurezza che consenta in modo semplice, efficace e sicuro di togliere o ridurre la tensione generata dall’impianto fotovoltaico al di sotto di un valore di rischio.

Un altro scopo dell 'invenzione è quello di realizzare un dispositivo di sicurezza per un impianto fotovoltaico che consenta in caso di incendio di mettere in sicurezza rimpianto fotovoltaico per Γ intervento rapido e sicuro dei vigili del fuoco particolarmente quando rimpianto fotovoltaico è installato sulla copertura di un edificio.

Il compito tecnico, nonché questi ed altri scopi, secondo la presente invenzione vengono raggiunti realizzando un dispositivo di sicurezza per un impianto fotovoltaico secondo la rivendicazione 1. Altre caratteristiche della presente invenzione sono definite, inoltre, nelle rivendicazioni successive.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione di una forma di esecuzione preferita ma non esclusiva del dispositivo di sicurezza per un impianto fotovoltaico secondo il trovato, illustrata a titolo indicativo e non limitativo nei disegni allegati, in cui:

la figura 1 mostra lo schema elettrico del dispositivo di sicurezza integrato con rimpianto elettrico dell’ edificio in cui è installato rimpianto fotovoltaico, in cui lo schema elettrico è mostrato in rappresentazione unifilare ad eccezione della linea di alimentazione del relè mostrata in rappresentazione multifilare;

la figura 2 mostra una versione preferita del modulo di sezionamento elettrico atto ad essere integrato in un modulo fotovoltaico; e

la figura 3 mostra l’architettura interna del modulo di sezionamento elettrico di figura 2.

Con riferimento alle figure citate, viene illustrato un dispositivo di sicurezza 1 di un impianto fotovoltaico, particolarmente idoneo all’ installazione sulla copertura di un edificio.

L’impianto fotovoltaico comprende una o più stringhe 2 di moduli fotovoltaici 3.

Ciascuna stringa 2 prevede una corrispondente linea 4 di collegamento elettrico seriale dei corrispondenti moduli fotovoltaici 3.

In figura 1 è illustrata integralmente solo una delle stringhe 2 previste.

Le stringhe 2 sono connesse in parallelo fra loro ad ottenere un campo fotovoltaico della potenza elettrica desiderata.

La tensione nominale (tensione massima a circuito aperto) del campo fotovoltaico è pari alla tensione nominale di ciascuna stringa 2, a sua volta pari alla somma delle tensioni normali dei moduli fotovoltaici 3 che compongono la stringa 2.

Ciascun modulo fotovoltaico 3 comprende in modo noto una pluralità di celle fotovoltaiche che possono essere in silicio monocristallino, in silicio policristallino o a film sottile (silicio amorfo). In ciascun modulo fotovoltaico 3 le celle solari sono connesse elettricamente tra di loro, sono incapsulate in un telaio e protette con lastra di vetro temperato, oppure nella versione a film sottile sono fissate su un qualunque elemento di appoggio. I valori di tensione disponibili ai capi dei due terminali di un modulo fotovoltaico 3 risultano proporzionali al numero di celle solari collegate in serie.

Naturalmente il numero di stringhe 2 ed il numero di moduli fotovoltaici 3 per stringa 2 possono essere variati a piacere a seconda delle caratteristiche desiderate per rimpianto fotovoltaico. L’impianto fotovoltaico comprende un inverter 10 per la trasformazione della tensione di corrente continua in ingresso presente ai capi delle stringhe 2 in una tensione di corrente alternata in uscita che può essere distribuita ai carichi elettrici dell’edificio, e scaricatori di tensione 19 derivati dai terminali di ingresso ed uscita di ciascuna stringa 2.

L’impianto elettrico dell 'edificio prevede un interruttore 11 di protezione della linea di alimentazione elettrica generale 12 dell’ edificio, particolarmente un interruttore differenziale con sganciatori di sovracorrente incorporati, e a valle dell’interruttore di protezione 11 un quadro elettrico generale di distribuzione 13. Il quadro elettrico generale di distribuzione 13 presenta un interruttore generale 3 1.

Dal quadro elettrico generale di distribuzione 13 parte una linea elettrica 14 di distribuzione ai carichi elettrici dell’edificio, una linea elettrica 15 di collegamento all’uscita dell’inverter 10 attraverso un quadro interfaccia di rete 17, ed una linea elettrica 18 di alimentazione la cui funzione sarà descritta di seguito.

La linea di collegamento 15 è protetta da un interruttore 16 differenziale con sganciatori di sovracorrente incorporati.

Analogamente la linea di distribuzione 18 è protetta da un interruttore 32 differenziale con sganciatori di sovracorrente incorporati.

Il dispositivo di sicurezza 1 vantaggiosamente prevede, per ciascuna stringa 2, mezzi di sezionamento elettrico della linea di collegamento elettrico seriale 4 per la separazione dei moduli fotovoltaici 3 in due o più gruppi 5 di moduli fotovoltaici 3 in modo tale che la tensione massima generabile ai terminali di ciascuno gruppo 5 sia entro un valore di sicurezza rispetto alla tensione massima generabile ai terminali della stringa 2.

La scelta della tensione nominale del campo fotovoltaico deve tener conto delle esigenze tecniche legate all’efficienza dell’impianto, nel pieno rispetto delle norme in materia di sicurezza elettrica.

Un impianto fotovoltaico in genere presenta una tensione nominale non superiore a 600 V di corrente continua.

E’ tuttavia ritenuto come accettabile per l’intervento di un operatore il rischio correlato ad una tensione massima a vuoto non superiore a 60 V di corrente continua.

Nel caso illustrato a titolo di esempio quindi si è ritenuto conveniente suddividere ciascuna stringa 2 in una successione di undici gruppi 5 costituiti ciascuno da una successione di due moduli fotovoltaici 3.

In ipotesi che i moduli fotovoltaici 3 presentino tutti la stessa tensione nominale, ciascun gruppo 5 presenterà quindi una tensione nominale pari ad 1/11 della tensione nominale della stringa 2, vale a dire inferiore a 60 V di corrente continua.

Naturalmente è altresì concepibile una suddivisione di ciascuna stringa 2 in un diverso numero di gruppi 5.

I mezzi di sezionamento comprendono almeno un relè 6 con doppio contatto in scambio interposto e collegato tra ciascuna coppia di gruppi 5 adiacenti di moduli fotovoltaici 3.

II primo contatto del relè 6 presenta tre morsetti 7, 7’, 7” ed il secondo contatto del relè 6 presenta tre morsetti 8, 8’, 8”.

I relè 6 sono alimentati dalla linea di alimentazione elettrica 18. Preferibilmente a favore della sicurezza la tensione di alimentazione dei relè 6 è ridotta rispetta alla tensione di corrente alternata erogata dalla linea di alimentazione generale 12, ed è pertanto previsto sulla linea 18 un trasformatore 30, ad esempio da 230 V a 24 V di corrente alternata, compatibilmente con le distanze coperte dalla linea elettrica 18.

Secondo un ulteriore aspetto vantaggioso il dispositivo di sicurezza presenta mezzi di comando remoto dei mezzi di sezionamento. I mezzi di comando comprendono un pulsante di sicurezza attivabile per interrompere l’alimentazione elettrica di ciascun relè 6 in modo tale da causarne la commutazione ad uno stato di attivazione del sezionamento della linea di collegamento elettrico seriale 4 dei moduli fotovoltaici 3.

Vantaggiosamente il pulsante di sicurezza dei mezzi di comando è costituito dallo stesso pulsante 20 di azionamento dell 'interruttore di protezione 1 1.

I mezzi di sezionamento elettrico per ciascun punto di sezionamento della linea 4 sono sotto forma di un modulo di sezionamento elettrico 21.

Ogni modulo di sezionamento elettrico 21 preferibilmente è integrato in un corrispondente modulo fotovoltaico 3 così da poter essere installato e smontato in modo estremamente agevole in caso di guasto o sostituzione.

II modulo di sezionamento elettrico 21 presenta un cassa stagna 22 di contenimento del relè 6.

La cassa 22 presenta mezzi di tipo noto per un fissaggio meccanico rimovibile dal modulo fotovoltaico 3 (in figura 2 il modulo 21 è illustrato in condizione disassemblata dal modulo fotovoltaico 3, con linea tratteggiata è mostrata la posizione di fissaggio, mentre i segmenti in grassetto 33 rappresentano schematicamente i riscontri meccanici per il corretto posizionamento del modulo 21 sul modulo 3).

La cassa 22 del modulo 21 ha un connettore di ingresso 23 ed un connettore di uscita 24 per la linea (a due fili) di alimentazione 18 del relè 6, un connettore di ingresso 25 ed un connettore di uscita 26 per la linea 4 (mono filo).

Vantaggiosamente sono anche previsti mezzi di sezionamento meccanico della linea 4 di collegamento elettrico seriale dei moduli fotovoltaici 3 di ciascuna stringa 2.

I mezzi di sezionamento meccanico comprendono almeno un elemento termo fondibile 27 munito di rispettiva molla di distacco 28.

Preferibilmente ciascun elemento termo fondibile 27 con la rispettiva molla di distacco 28 è integrato in un corrispondente modulo di sezionamento elettrico 21, ed in particolare è integrato all’ interno della cassa 22.

Preferibilmente in ciascun modulo di sezionamento elettrico 21 è integrato un corrispondente elemento termo fondibile 27 munito di rispettiva molla di distacco 28.

Preferibilmente sono anche previsti mezzi di segnalazione luminosa di malfunzionamento del relè 6, alimentati dalla stessa linea 18 di alimentazione elettrica del relè 6, in particolare una spia a LED 29 anch’essa integrata all’ interno della cassa 22 del modulo di sezionamento elettrico 21.

La segnalazione luminosa indica il componente non funzionante rendendo così più agevoli e veloci gli interventi di manutenzione. Il dispositivo di sicurezza dell 'invenzione consente di sezionare a distanza rimpianto fotovoltaico con una operazione manuale eseguibile in completa sicurezza anche in caso di emergenza dovuta in particolare ad un incendio.

Il dispositivo di sicurezza rende rimpianto fotovoltaico intrinsecamente sicuro evitando che si creino nei periodi di soleggiamento tensioni elettriche pericolose senza ricorrere alla soluzione classica di copertura dei vari moduli fotovoltaici che è attuabile in caso di manutenzione, ma che sicuramente non è attuabile in emergenza in caso di incendio.

Il dispositivo di sicurezza è in grado di separare in sicurezza i vari moduli fotovoltaici a gruppi di uno o più moduli garantendo tensioni che non presentano pericolo per le persone.

Nel momento di emergenza, ad esempio in caso di incendio, il dispositivo di sicurezza opera nel modo seguente.

Inizialmente ciascun relè 6 è normalmente eccitato, il primo contatto presenta il morsetto 7 chiuso sul morsetto T ed il secondo contatto presenta il morsetto 8 chiuso sul morsetto 8’ (lo stato del primo e secondo contatto è opposto a quello indicato in figura 3). In questa condizione la linea 4 è chiusa mentre la linea elettrica 35 di alimentazione della spia a LED 29 è aperta.

AH’occorrenza dell’emergenza si aziona il pulsante di sicurezza 20 per lo sgancio dell’impianto elettrico dell’edificio.

Per effetto dell’azionamento del pulsante 20 ciascun relè 6 viene diseccitato con conseguente commutazione sincronizzata sia del primo contatto che del secondo contatto. Il primo contatto presenta ora il morsetto 7 chiuso sul morsetto 7”, mentre il secondo contatto presenta ora il morsetto 8 chiuso sul morsetto 8”, come indicato in figura 3.

In questa nuova condizione la linea 4 è sezionata mentre la linea elettrica 35 di alimentazione della spia a LED 29 è chiusa.

Conseguentemente ciascuna stringa 2 di moduli fotovoltaici 3 viene elettricamente sezionata in più punti.

Come detto la chiusura del secondo contatto chiude il circuito di alimentazione 35 della spia a LED 29.

Ripristinando la linea di comando 12 il relè 6 nuovamente eccitato commuta nuovamente in modo sincronizzato sia il primo contatto sia il secondo contatto ricomponendo la continuità elettrica della stringa 2 di moduli fotovoltaici 3.

Nel caso in cui, quando il relè 6 è nuovamente eccitato, a causa di un malfunzionamento non dovessero commutare nuovamente il primo e secondo contatto, il circuito di alimentazione 35 della spia a LED 29 permarrebbe in uno stato attivato. La spia a LED 29 accesa agevolerebbe quindi il riconoscimento del modulo 21 guasto per Γ intervento mirato del manutentore.

Un aspetto particolarmente importante dell 'invenzione è che il dispositivo di sicurezza 1 provvede una sicurezza a logica positiva nel senso che associa la condizione eccitata del relè 6 alla condizione di chiusura della linea 4. Qualunque evento che causi la diseccitazione del relè 6, ad esempio un guasto del relè 6 stesso o una interruzione della linea 18, garantisce comunque le condizioni di sicurezza.

Ciascun elemento termofondibile 27 sarà inoltre in grado di interrompere meccanicamente la linea 4 ed impedire, in caso di incendio, che l’azione del calore e/o delle fiamme libere possano in qualunque modo ripristinarla.

Per Γ espletamento delle normali attività di manutenzione all’impianto fotovoltaico invece è sufficiente azionare Γ interruttore differenziale 32 presente sulla linea di distribuzione 18.

Il dispositivo di sicurezza può, come mostrato, essere integrato in un impianto fotovoltaico opportunamente predisposto, oppure può essere applicato ad un impianto fotovoltaico esistente in modo tale da renderlo sicuro.

Il dispositivo di sicurezza di un impianto fotovoltaico così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell’ambito del concetto inventivo; inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da elementi tecnicamente equivalenti.

In pratica i materiali utilizzati, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi a secondo delle esigenze e dello stato della tecnica.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di sicurezza (1) per un impianto fotovoltaico, in cui rimpianto fotovoltaico comprende almeno una stringa (2) di moduli fotovoltaici (3) ed una linea di collegamento elettrico seriale (4) dei moduli fotovoltaici (3) di detta stringa (2), caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di sezionamento elettrico di detta linea di collegamento elettrico seriale (4) per la separazione dei moduli fotovoltaici (3) di detta stringa (2) in almeno un primo ed un secondo gruppo (5) di moduli fotovoltaici (3) in modo tale che la tensione massima generabile ai terminali di ciascuno di detto almeno un primo e secondo gruppo (5) sia entro un valore di sicurezza rispetto alla tensione massima generabile ai terminali di detta stringa (2), e mezzi di comando remoto di detti mezzi di sezionamento.
2. 2. Dispositivo di sicurezza (1) per un impianto fotovoltaico secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di sezionamento elettrico comprendono almeno un relè (6) interposto e collegato tra detto primo e secondo gruppo (5) di moduli fotovoltaici (3).
3. 3. Dispositivo di sicurezza (1) per un impianto fotovoltaico secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di comando comprendono un pulsante di sicurezza attivabile per interrompere la linea (18) di alimentazione elettrica di detto relè (6).
4. 4. Dispositivo di sicurezza (1) per un impianto fotovoltaico secondo una qualunque rivendicazione 2 e 3, caratterizzato dal fatto che allo stato di eccitazione di detto relè (6) corrisponde lo stato di chiusura della detta linea di collegamento elettrico seriale (4) dei moduli fotovoltaici (3) in modo tale da provvedere una sicurezza a logica positiva.
5. 5. Dispositivo di sicurezza (1) per un impianto fotovoltaico secondo una qualunque rivendicazione da 2 a 4, caratterizzato dal fatto che detto relè (6) è alimentato da una linea di alimentazione elettrica (18) derivata dalla linea di alimentazione elettrica generale (12) dell 'edificio in cui è installato rimpianto fotovoltaico.
6. 6. Dispositivo di sicurezza (1) per un impianto fotovoltaico secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di comando comprendono il pulsante di azionamento (20) dell’ interruttore (11) di protezione di detta linea elettrica di alimentazione generale (12) di detto edificio.
7. 7. Dispositivo di sicurezza (1) per un impianto fotovoltaico secondo una qualunque rivendicazione da 2 a 6, caratterizzato dal fatto che detto relè (6) è del tipo con doppio contatto in scambio (7, 7’, 7” e 8, 8’, 8”).
8. 8. Dispositivo di sicurezza (1) per un impianto fotovoltaico secondo una qualunque rivendicazione da 3 a 7, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di segnalazione luminosa di malfunzionamento del relè (6), alimentati da detta linea di alimentazione elettrica (18) del relè (6).
9. 9. Dispositivo di sicurezza (1) per un impianto fotovoltaico secondo una qualunque rivendicazione 7 e 8, caratterizzato dal fatto che detto relè (6) con doppio contatto in scambio (7, 7’, 7” e 8, 8’, 8”) quando assume lo stato di sezionamento della linea di collegamento elettrico seriale (4) dei moduli fotovoltaici (3) chiude il circuito elettrico di alimentazione (35) di detti mezzi di segnalazione luminosa.
10. 10. Dispositivo di sicurezza (1) per un impianto fotovoltaico secondo una qualunque rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che i gruppi (5) sono stabiliti in modo tale che detto valore di sicurezza per la tensione massima erogabile ai terminali di ciascuno di detti gruppi (5) è non superiore a 60 V di corrente continua.
11. 11. Dispositivo di sicurezza (1) per un impianto fotovoltaico secondo una qualunque rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di sezionamento elettrico sono sotto forma di almeno un modulo di sezionamento elettrico (21) integrato in almeno un modulo fotovoltaico (3) di detta stringa (2) di moduli fotovoltaici (3).
12. 12. Dispositivo di sicurezza (1) per un impianto fotovoltaico secondo una qualunque rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di presentare mezzi di sezionamento meccanico di detta linea di collegamento elettrico seriale (4) dei moduli fotovoltaici (3).
13. 13. Dispositivo di sicurezza (1) per un impianto fotovoltaico secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di sezionamento meccanico comprendono almeno un elemento termo fondibile (27) munito di una corrispondente molla di distacco (28).
14. 14. Dispositivo di sicurezza (1) per un impianto fotovoltaico secondo le rivendicazioni da 11 a 13, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di sezionamento meccanico sono integrati in detto almeno un modulo di sezionamento elettrico (21).
15. 15. Impianto fotovoltaico caratterizzato dal fatto di comprendere un dispositivo di sicurezza (1) conforme ad una qualunque rivendicazione precedente.