ITMO20090165A1 - Apparecchiatura di misura della tensione e della corrente generate da pannelli fotovoltaici - Google Patents

Description

"APPARECCHIATURA DI MISURA DELLA TENSIONE E DELLA CORRENTE GENERATE DA PANNELLI FOTOVOLTAICI".

DESCRIZIONE

Il presente trovato ha come oggetto un'apparecchiatura di misura della tensione e della corrente generate da una stringa di pannelli fotovoltaici.

Negli ultimi anni l'impiego di impianti a pannelli fotovoltaici che sfruttano l'energia solare per produrre energia elettrica ha subito un notevole sviluppo, tanto da acquisire una notevole fetta di mercato nel campo delle energie rinnovabili.

In un classico impianto fotovoltaico i pannelli sono connessi tra loro in serie, e si parla in tal senso di una stringa di pannelli fotovoltaici. Solitamente un singolo impianto fotovoltaico à ̈ composto da diverse stringhe poste in parallelo tra loro ed assume così una configurazione a griglia di pannelli.

L'azione congiunta dei pannelli facenti parte di una stessa stringa consente l'erogazione di energia elettrica, che può essere convogliata nella rete di distribuzione elettrica, ai fini dell'utilizzo da parte di uno o più utenti.

La misura delle tensioni e delle correnti prodotte da ogni singola stringa à ̈ fondamentale per tenere sotto controllo l'efficienza e la produttività del sistema complessivo di produzione di energia, ed esistono già in commercio dispositivi atti a misurare queste grandezze .

Un problema che si manifesta in relazione agli impianti fotovoltaici di produzione di energia riguarda il possibile furto dei pannelli stessi, in particolar modo durante le ore notturne durante le quali l'oscurità di per sé agevola i malintenzionati, facilitati anche dal fatto che non essendoci luce solare i pannelli non producono energia elettrica e possono dunque essere rimossi senza alcun rischio di scariche elettriche. Al di là del possìbile uso dì metodi tradizionali di videosorveglianza o di sistemi anti-intrusione, ultimamente sono apparsi dei dispositivi elettricamente connessi ai pannelli e che, in funzione della misurazione di determinati parametri di stringa quali ad esempio corrente o tensione prodotte dalla stringa stessa, realizzino già una funzione di sorveglianza in merito alla sottrazione dei pannelli stessi.

Tuttavia durante le ore notturne, o in generale di insufficiente illuminazione solare, questi dispositivi non possono essere utilizzati dato che una stringa appare come un generatore di tensione o corrente spento, e dunque anche la rimozione di uno o più pannelli non altera le misure di tensione o corrente rilevate .

Per ovviare a tale inconveniente si dovrebbero predisporre all'interno dell'impianto fotovoltaico nuovi cablaggi, con conseguente notevole dispendio in termini economici e di spazio.

Compito precipuo del presente trovato à ̈ quello di eliminare gli inconvenienti sopra elencati escogitando un'apparecchiatura che riesca a rilevare i parametri di energia, tensione e/o corrente, prodotti da ogni singola stringa nonché l'eventuale scollegamento per furto o guasto di uno o più pannelli componenti la stringa, funzionando senza l'utilizzo di ulteriori cablaggi rispetto ai dispositivi noti.

Nell'ambito di questo compito, uno scopo del trovato à ̈ quello di realizzare un'apparecchiatura che sia in grado di rilevare malfunzionamenti per rimozione o guasto di un pannello fotovoltaico appartenente ad una stringa anche nelle ore notturne o in situazioni di scarsa illuminazione, durante le quali i pannelli fotovoltaici non producono energia ed inoltre sono più probabili i furti.

Un altro scopo del trovato à ̈ quello di realizzare un'apparecchiatura che non comporti l'uso di dispositivi complessi, ma che sfrutti le potenzialità di dispositivi già esistenti sul mercato e di uso comune .

Ulteriore scopo del trovato à ̈ quello di realizzare un'apparecchiatura che sia di elevata affidabilità, di scarso impatto ambientale, di relativamente facile realizzazione e a costi competitivi.

Questo compito, nonché questi ed altri scopi che meglio appariranno in seguito, sono raggiunti da un'apparecchiatura di misura della corrente e della tensione generate da una stringa di pannelli fotovoltaici connessi in serie, ciascuno di detti pannelli comprendendo almeno un diodo che permette il passaggio di un flusso di corrente, comprendente mezzi di rilevazione di una interruzione di corrente nella linea di collegamento tra detti pannelli di detta stringa, caratterizzata dal fatto di comprendere mezzi di immissione di una corrente ausiliaria in detta linea di collegamento, in corrispondenza della rilevazione di un valore limite minimo di energia elettrica prodotta da detti pannelli, detti mezzi di rilevazione essendo adatti a rilevare l'interruzione dì detta corrente ausiliaria immessa in detta linea di collegamento.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, dell'apparecchiatura secondo il trovato, illustrata, a titolo indicativo e non limitativo, negli uniti disegni, in cui:

la figura 1 illustra il sistema comprendente la stringa di pannelli fotovoltaici e l'apparecchiatura, secondo il trovato;

la figura 2 mostra uno schema a blocchi dell'apparecchiatura con alimentazione da fonte esterna e trasmissione dati attraverso reti cablate, secondo la tecnica nota;

la figura 3 à ̈ uno schema a blocchi dell'apparecchiatura con alimentazione da stringa e trasmissione dati in modalità wireless, secondo il trovato;

la figura 4 Ã ̈ uno schema elettrico dell'apparecchiatura secondo il trovato e dei collegamenti con l'ingresso e l'uscita della stringa;

la figura 5 evidenzia lo schema elettrico dell'unità di elaborazione interna all'apparecchiatura.

Con riferimento alle figure citate, il sistema secondo il trovato, indicato globalmente con il numero di riferimento 1, Ã ̈ composto da pannelli fotovoltaici 3, 4, 5, 6 tutti identici tra loro e connessi attraverso un unico conduttore 2 a formare una stringa di pannelli .

Il conduttore 2, e quindi la stringa di pannelli fotovoltaici, à ̈ connesso all'apparecchiatura di misura 7 secondo il trovato, la quale a sua volta à ̈ collegata in uscita ad un carico 8, preferibilmente un inverter per la generazione di una tensione alternata da immettere nella rete di distribuzione elettrica.

L'apparecchiatura di misura 7 presenta un ingresso 11 di valori di corrente elettrica da una stringa di pannelli, collegato ad un blocco 13 di misurazione dei segnali stessi provenienti dall'ingresso 11, dotato di funzioni di circuito antifurto.

E' presente anche, collegato al blocco di misurazione 13, il blocco di uscita 12 dei valori di corrente della stringa, che alimenta direttamente l'inverter 8.

Il blocco di misurazione 13 si connette ad un'unità di elaborazione 14, vantaggiosamente una Central Processing Unit, CPU, che à ̈ collegata ad un sistema di monitoraggio dei valori di corrente elettrica, provenienti dalla stringa e successivamente elaborati, attraverso mezzi di comunicazione vantaggiosamente comprendenti una linea seriale di tipo RS485 oppure un modulo wireless. In riferimento alla figura 2, ad esempio, i mezzi di comunicazione comprendono una linea seriale 16 di tipo RS485.

I mezzi di alimentazione 15, a 12 volt in continua, si connettono direttamente tanto al blocco di misurazione 13 quanto alla CPU 14 e alla linea seriale 16, alimentandoli .

Si noti che i mezzi di alimentazione 15 in continua e la linea seriale 16 di tipo RS485 rappresentano dei dispositivi noti allo stato dell'arte.

Con riferimento alla figura 3, viene mostrato lo schema a blocchi dell'apparecchiatura 7 secondo il trovato, dove analoghi sono i blocchi di ingresso 11 e quello di uscita 12 diretto verso l'inverter 8, nonché analogo à ̈ il blocco di misurazione 13.

In questa configurazione tuttavia i mezzi di alimentazione 17 sono costituiti dalla stringa fotovoltaica e sono collegati al blocco di misurazione 13, da cui ricevono la corrente o tensione proveniente dalla stringa; eventualmente, nelle situazioni di oscurità in cui la stringa non produce tensione, l'alimentazione può essere fornita da una batteria tampone che si ricarica nelle ore di luminosità.

In conseguenza dell'energia disponibile, i mezzi di alimentazione 17 alimentano la CPU 14, a sua volta già collegata al blocco di misurazione 13.

Dalla CPU 14 i dati vengono passati al sistema di monitoraggio attraverso mezzi di comunicazione di nuovo vantaggiosamente comprendenti una linea seriale di tipo RS485 oppure un modulo wireless. In riferimento all'esempio realizzativo di figura 3, secondo il trovato, i mezzi di comunicazione comprendono in particolare un modulo wireless 18, alimentato anch'esso dai mezzi di alimentazione 17.

All'interno dell'apparecchiatura 7, il blocco di misurazione 13 della corrente o tensione proveniente dalla stringa presenta un isolamento galvanico 46, evidenziato in figura 4, sia dai mezzi di alimentazione, siano essi costituiti da una alimentazione a 12 volt in continua oppure dalla stringa fotovoltaica, che dai mezzi di comunicazione, comprendenti la linea seriale 16 di tipo RS485 oppure il modulo wireless 18.

Lo schema elettrico di figura 4 evidenzia di nuovo, all'interno dell'apparecchiatura 7, l'ingresso 11 e l'uscita 12 della corrente della stringa, collegati ad un sensore di misura di corrente 25, connesso ad un partitore resistivo 22.

L'ingresso 11 e l'uscita 12 della corrente della stringa sono inoltre collegati, sempre attraverso un partitore resistivo 21, alla stringa fotovoltaica.

Le uscite dei due partitori resistivi 21 e 22 sono rispettivamente due segnali 36 e 37.

All'interno dell'apparecchiatura 7 si trovano un comparatore 26 e un circuito di rilevazione 30 comprendente accoppiatori ottici, costituiti da transistor 28, 29 e da mezzi di rilevazione di una interruzione nella linea di collegamento tra i pannelli della stringa, ovvero diodi 34 e 35. Il circuito di rilevazione 30 comprende inoltre un transistor 27, che si accoppia ad un diodo 33.

Inoltre una resistenza di pull-up 39 del transistor 28 Ã ̈ collegata al circuito di rilevazione 30. Le funzioni di questi ed altri componenti circuitali verranno meglio chiarite in seguito.

L'apparecchiatura comprende inoltre mezzi di immissione di una corrente ausiliaria nella linea di collegamento tra i pannelli fotovoltaici costituenti la stringa; tali mezzi di immissione comprendono un dispositivo 50, comandato da un relà ̈ 45.

Con riferimento alla figura 5, viene mostrato lo schema elettrico del blocco CPU 14 dove a parte sono messi in evidenza i filtri 40 e 41, i cui ingressi sono rispettivamente i segnali 36 e 37 e i cui rispettivi segnali di uscita 42 e 43 sono collegati in ingresso ad un convertitore analogico-digitale 44 interno alla CPU 14 .

Il funzionamento dell'apparecchiatura secondo il trovato à ̈ il seguente.

L'apparecchiatura 7 effettua una misurazione dei livelli di corrente e tensione generati dall'azione dei pannelli fotovoltaici 3, 4, 5, 6 appartenenti alla stringa, i quali captano l'energia proveniente dai raggi solari per poi convertirla in energia che va ad alimentare l'inverter 8 ai fini di un successivo uso nella rete di distribuzione elettrica.

La tensione generata dalla stringa, che entra nell'apparecchiatura 7 dall'ingresso 11, viene ridotta da un partitore resistivo 21. Il valore della costante di riduzione, a meno delle tolleranze sui valori di resistenza scelti, Ã ̈ dell'ordine di 10<-3>.

Dato che la tensione massima che à ̈ in grado di reggere la circuiteria interna dell'apparecchiatura 7 à ̈ pari a 3 volt, e che la tensione all'ingresso 11 rappresenta l'alimentazione 17 dell'apparecchiatura 7, ne consegue che la suddetta tensione all'ingresso 11 non può superare un valore massimo, fissato in virtù della costante di riduzione sopra indicata a circa 800 volt. Un parametro caratteristico della stringa à ̈ rappresentato dalla corrente erogata verso l'inverter 8.

Ai fini della misurazione di questa corrente di stringa, viene utilizzato il sensore misuratore di corrente 25, di tipo Hall, che fornisce una tensione di uscita proporzionale alla corrente che lo attraversa. Tale sensore à ̈ di per sé in grado di misurare correnti bidirezionali, ma in questo caso viene usato solo per misurare correnti che fluiscono dalla stringa verso il carico 8.

La tensione generata dal sensore viene partizionata dal partitore resistivo 22 e l'uscita 37 viene filtrata e bufferizzata dal filtro 41; l'ulteriore segnale di uscita 43 viene inviato in ingresso al convertitore analogico-digitale 44 interno alla CPU 14.

Analogamente l'uscita in tensione 36, partizionata dal partitore resistivo 21, viene filtrata e bufferizzata dal filtro 40 e il segnale di uscita 42 viene inviato in ingresso al convertitore analogico-digitale 44 interno alla CPU 14.

L'apparecchiatura 7 si presta a rilevare l'eventuale interruzione della serie di pannelli fotovoltaici componenti la stringa, condizione che può verificarsi in caso di furto o guasto di almeno uno degli elementi della serie e che si accompagna ad una mancata produzione di tensione da parte della stringa.

L'apparecchiatura 7 infatti à ̈ in grado di discriminare tra la situazione di furto o guasto di uno dei pannelli e quella in cui la stringa non produce tensione semplicemente perché à ̈ sopraggiunta la notte o la giornata non à ̈ soleggiata. D'altra parte à ̈ facile comprendere che per un malintenzionato à ̈ proprio la condizione di oscurità quella più favorevole per recarsi in prossimità dell'impianto e rubare uno o più pannelli, anche perché la mancata produzione di energia nelle ore notturne non lo espone al rischio di scariche elettriche .

L'alimentazione dell'apparecchiatura 7, nel caso avvenga tramite i mezzi 17 di auto-alimentazione dell'apparecchiatura stessa dalla stringa fotovoltaica, non può essere garantita nelle ore notturne o in situazione di oscurità dalla stringa di pannelli, dato che in questa eventualità la stringa non produce tensione; in tal caso l'alimentazione viene assicurata da una batteria tampone, che si ricarica nelle ore giornaliere o di luminosità. Ciò consente inoltre di preservare una funzione di antifurto in caso di rilevazione dell'interruzione nel collegamento tra i pannelli della stringa, attraverso ad esempio l'invio di una segnalazione di allarme ad un sistema di videosorveglianza o monitoraggio.

L'invio di questa segnalazione viene effettuato attraverso i mezzi di comunicazione, siano essi la linea seriale 16 di tipo RS485 oppure il modulo wireless 18; in questo secondo caso, in condizioni di assenza di anomalie il modulo wireless 18 viene vantaggiosamente mantenuto in modalità d'attesa e risvegliato solo periodicamente, ogni minuto, per trasmettere i valori di tensione e corrente misurati dall'apparecchiatura 7, così da preservare la carica della batteria. Invece, appena viene rilevata una interruzione stringa il modulo wireless 18 viene risvegliato istantaneamente ai fini dell'invio di una tempestiva segnalazione d'allarme al sistema di monitoraggio .

Ai fini della rilevazione di una eventuale interruzione nella linea di collegamento tra i pannelli costituenti la stringa, viene fissato un valore di soglia della tensione generata dalla stringa di pannelli fotovoltaici, regolata ad un valore sostanzialmente pari a 65 volt.

Se il blocco di misurazione 13 interno all'apparecchiatura 7 rileva un valore di tensione di stringa inferiore ai 65 volt, viene collegato in serie alla stringa di pannelli il dispositivo 50 di immissione di corrente ausiliaria che, abilitato dal relà ̈ 45, inietta tale corrente ausiliaria all'interno della stringa stessa.

La misurazione dell'assenza di continuità di corrente viene effettuata dal circuito di rilevazione 30 composto dagli accoppiatori ottici formati, ciascuno, dai diodi 34, 35 e 33 e da i rispettivi transistor 28, 29 e 27.

Se la tensione à ̈ minore di 65 volt il comparatore 26 chiude la sua uscita verso massa facendo eccitare la bobina del relà ̈ 45; la corrente di attraversamento della bobina attraversa anche il diodo 35, facendo chiudere il corrispondente transistor 29 verso massa e conseguentemente mettendo a massa il catodo del diodo 33.

L'eccitazione della bobina del relà ̈ 45 chiude il contatto del medesimo relà ̈ facendo fluire la corrente ausiliaria inversa generata dal dispositivo 50 attraverso la stringa di pannelli, correttamente collegati, e il diodo 34. In questa condizione il transistor 28 si trova in conduzione verso massa, facendo in modo che non fluisca corrente attraverso il diodo 33.

Se viene interrotto il conduttore 2 della stringa di pannelli, viene interrotto anche il flusso di corrente ausiliaria, la quale non fluisce più nel diodo 34. Conseguenza di ciò à ̈ che il transistor 28 va in stato di aperto, e la corrente che attraversa la resistenza 39 viene deviata sul diodo 33 il quale, avendo già il catodo connesso a massa dal transistor 29, verrà attraversato da questa corrente; pertanto il transistor 27 cambia stato e va in chiuso. Tale situazione à ̈ rilevata dal convertitore analogico-digitale 44 che attiva all'interno della CPU 14 la procedura di allarme .

Si à ̈ in pratica constatato come l'apparecchiatura secondo il trovato assolva pienamente il compito prefissato in quanto consente di misurare la tensione e la corrente generate da una stringa di pannelli fotovoltaici e consente inoltre il rilevamento di una eventuale interruzione nella linea di collegamento tra i pannelli fotovoltaici appartenenti alla stringa. In tal modo si può accertare con sicurezza l'avvenuto furto o guasto di uno dei pannelli, attraverso la rilevazione o meno del flusso di una corrente ausiliaria che viene fatta circolare nella stringa quando, ad esempio di notte o comunque in situazione di luminosità assente, la generazione di energia da parte della stringa di pannelli scende al di sotto di una determinata soglia.

La rilevazione o meno di tale flusso ausiliario di corrente discrimina infatti tra la situazione in cui la generazione di energia à ̈ bassa solo a causa di assenza di luminosità e quella in cui si à ̈ verificato un furto oppure un guasto ad uno dei pannelli.

Benché l'apparecchiatura secondo il trovato sia stata concepita in particolare per misurare la corrente e la tensione generate da una stringa di pannelli fotovoltaici e rilevare l'eventuale furto o guasto ad uno di essi, potrà comunque essere utilizzata più generalmente all'interno di un sistema di sorveglianza e/o antifurto dotato di centralina elettronica, per gestire e supervisionare un campo fotovoltaico ed inviare informazioni a responsabili o istituti di sorveglianza sia in modalità Web che secondo standard di telefonia mobile quali GSM, GPRS, EDGE, UMTS.

Il dispositivo, così concepito, à ̈ suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo; inoltre, tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti.

In pratica, i materiali impiegati, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi secondo le esigenze e lo stato della tecnica.

Claims (4)

1. RIVENDICAZIONI 1) Apparecchiatura (7) di misura della corrente e della tensione generate da una stringa di pannelli fotovoltaici (3, 4, 5, 6) connessi in serie, ciascuno di detti pannelli comprendendo almeno un diodo (33) che permette il passaggio di un flusso di corrente, comprendente mezzi di rilevazione di una interruzione di corrente nella linea di collegamento tra detti pannelli di detta stringa, caratterizzata dal fatto di comprendere mezzi di immissione (50) di una corrente ausiliaria in detta linea di collegamento, in corrispondenza della rilevazione di un valore limite minimo di energia elettrica prodotta da detti pannelli, detti mezzi di rilevazione essendo adatti a rilevare l'interruzione di detta corrente ausiliaria immessa in detta linea di collegamento.
2. 2) Apparecchiatura di misura secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detti mezzi di rilevazione comprendono un circuito di rilevazione (30) di detta corrente ausiliaria, detto circuito di rilevazione (30) essendo dotato di accoppiatori ottici.
3. 3) Apparecchiatura di misura secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di comprendere mezzi di comunicazione (16, 18), ad un sistema di monitoraggio, dell'interruzione di detta corrente ausiliaria immessa in detta linea di collegamento, detti mezzi di comunicazione (16, 18) comprendendo una linea seriale (16) oppure un modulo wireless (18).
4. 4) Apparecchiatura di misura secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di comprendere mezzi di alimentazione (15, 17) di detta apparecchiatura tramite alimentazione da rete elettrica, oppure da una batteria tampone oppure autoalimentazione da detti pannelli di detta stringa (17).