ITPI20110142A1 - Apparato di trasformazione di energia prodotta da fonti rinnovabili e metodo di gestione relativo - Google Patents

Description

TITOLO

APPARATO DI TRASFORMAZIONE DI ENERGIA

PRODOTTA DA FONTI RINNOVABILI E METODO DI

GESTIONE RELATIVO.

SETTORE TECNICO

La presente invenzione concerne un apparato di trasformazione di energia prodotta da fonti rinnovabili utilizzabile in sistemi di produzione di energia di tipo “a isola†, per piccole potenze da 1 KW a 5 KW.

L’invenzione concerne anche un metodo per la gestione di un apparato di trasformazione di energia prodotta da fonti rinnovabili.

STATO DELL’ARTE

Impianti per la produzione di energia da fonti rinnovabili di tipo “a isola†sono caratterizzati dall’assenza dell’allaccio alla rete di distribuzione dell’elettricità. In questi casi l’impianto provvede direttamente alla produzione e all’erogazione dell’elettricità per l’intero fabbisogno energetico. Questa tipologia di impianti à ̈ anche conosciuta con il termine di “impianti Stand Alone†e si distingue dagli impianti Grid (connessi alla rete elettrica). Tra gli impianti a isola i più diffusi e noti sono quelli fotovoltaici ed eolici. Gli impianti fotovoltaici hanno un'ampia applicazione e diffusione nel settore della segnaletica stradale e visiva. Il pannello fotovoltaico cattura l'energia solare nelle ore diurne ed alimenta una batteria accumulatore. Nelle ore notturne l'energia accumulata viene rilasciata per alimentare la lampada ed il sistema elettronico di controllo. Impianti fotovoltaici e/o eolici ad isola sono molto utilizzati anche in zone non raggiunte dalla rete di distribuzione di energia elettrica per alimentare utenze domestiche o piccole utenze industriali. Ad esempio, questa tipologia di impianti à ̈ molto utilizzata in luoghi del pianeta remoti o con condizioni climatiche avverse, quali deserti, zone polari, o simili. Gli impianti ad isola sono composti da pochi elementi essenziali di seguito brevemente descritti.

I moduli fotovoltaici e/o turbine eoliche, sono deputati alla raccolta dell'energia solare.

Il regolatore di carica à ̈ un elemento di gestione dell’energia prodotta. Normalmente l'energia elettrica ha una tensione stabilizzata di 12 o 24 Volts. Il regolatore di carica provvede a distaccare il sistema fotovoltaico e/o le turbine eoliche dalla batteria nel caso in cui quest'ultima sia carica e nei casi di bassa tensione (es. fascia oraria notturna) o di ritorni di tensione dalla batteria al pannello.

Le batterie di accumulo sono necessarie per accumulare l'energia prodotta dai moduli fotovoltaici e stabilizzata dal regolatore di carica, per consentirne un uso differito nel tempo. Di fatto sono un sistema chimico di stoccaggio dell'energia.

Gli inverter sono mezzi di conversione della corrente continua in corrente alternata. La corrente in uscita dagli inverter ha normalmente una tensione standard pari a 110 o 220 volt per consentire l'alimentazione dei dispositivi elettrici/elettronici di destinazione.

Gli impianti ad isola hanno costi maggiori rispetto agli impianti connessi alla rete di distribuzione dell’energia elettrica a causa della presenza delle batterie che consentono di differire l’erogazione dell’energia rispetto alla produzione, però consentono di avere a disposizione energia elettrica anche in luoghi non raggiunti dalla rete elettrica.

Tuttavia gli impianti fotovoltaici e/o eolici ad isola di tipo convenzionale sono poco versatili e comportano di volta in volta specifici costi di progettazione in quanto in funzione del tipo di installazione ogni componente dell’impianto deve essere singolarmente determinato e selezionato e devono essere studiate le modalità di vincolo alle strutture di supporto presenti in loco.

SINTESI DELL’INVENZIONE

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di proporre un apparato di trasformazione di energia prodotta da fonti rinnovabili utilizzabile in sistemi di produzione di energia elettrica di tipo a isola, versatile e di facile installazione.

Ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di proporre un apparato di trasformazione di energia da fonti rinnovabili utilizzabile in sistemi di produzione di energia elettrica di tipo a isola che sia in grado di ricevere e gestire energia proveniente simultaneamente da una molteplicità di fonti di tipo diverso.

Un altro scopo della presente invenzione à ̈ quello di proporre un metodo di gestione dell’energia elettrica prodotta da una molteplicità di fonti di tipo diverso.

Secondo un aspetto della presente invenzione gli scopi suddetti ed altri ancora sono raggiunti per mezzo di un apparato di trasformazione di energia prodotta da fonti rinnovabili utilizzabile in sistemi di produzione di energia elettrica di tipo a isola, comprendente:

- almeno un inverter per la trasformazione di corrente continua in corrente alternata,

- batterie di accumulo di energia elettrica,

- almeno un regolatore di carica per regolare il passaggio di energia elettrica a/da dette batterie, e

- almeno un’unità elettronica di controllo,

ed in cui i suddetti componenti sono alloggiati all’interno di un contenitore trasportabile provvisto almeno di: connessioni di ingresso di energia elettrica in corrente alternata, connessioni di ingresso di energia elettrica in corrente continua, connessioni di uscita di energia elettrica in corrente alternata.

Secondo una prima forma di realizzazione della presente invenzione i componenti di detto apparato sono collegati secondo uno schema elettrico trifase per alimentare una connessione di uscita in corrente alternata di tipo trifase.

Secondo una diversa forma di realizzazione della presente invenzione i componenti di detto apparato sono collegati secondo uno schema elettrico monofase per alimentare almeno una uscita elettrica monofase in corrente alternata. Vantaggiosamente, in questa seconda forma realizzativa, à ̈ presente anche almeno un’uscita in corrente continua.

Un apparato come sopra delineato può essere connesso ad una molteplicità di tipi di fonti di energia elettrica, preferibilmente fonti rinnovabili e trasforma l’energia in ingresso in modo da renderla fruibile per svariate tipologie di utilizzi, sia di tipo industriale che domestico. Inoltre, un apparato secondo la presente invenzione à ̈ molto versatile in quanto consente il collegamento di svariate tipologie di fonti energetiche senza dover riprogettare e modificare ad ogni installazione i componenti del sistema. Inoltre, l’apparato dell’invenzione à ̈ molto pratico in quanto tutti i componenti sono alloggiati in un unico contenitore trasportabile già correttamente impostati e collegati tra loro in modo che l’installazione dello stesso sia molto rapida.

Ulteriori caratteristiche di un apparato secondo la presente invenzione sono definite nelle rivendicazioni.

Secondo un altro aspetto della presente invenzione gli scopi suddetti sono raggiunti per mezzo di un metodo di gestione dell’energia elettrica prodotta da una molteplicità di fonti di diverso tipo in un apparato di trasformazione di energia elettrica comprendente almeno un inverter, batterie di accumulo di energia elettrica ed almeno un regolatore di carica per regolare il passaggio di energia elettrica a/da dette batterie, in cui l’apparato à ̈ provvisto di almeno una connessione di ingresso di energia in corrente continua prodotta da generatori fotovoltaici, almeno una connessione di ingresso di energia in corrente continua prodotta da generatori eolici ed almeno una connessione di ingresso di energia elettrica in corrente alternata, in cui il metodo prevede l’attivazione del prelevamento di energia dalle suddette connessioni per eseguire la carica delle batterie secondo un ordine predeterminato e la disattivazione del prelevamento di energia dalle suddette connessioni secondo un ulteriore ordine predeterminato quando i livelli di carica delle batterie raggiungano valori specificati.

Grazie al metodo dell’invenzione l’attivazione e disattivazione delle fonti energetiche per la carica delle batterie viene determinata in funzione della tipologia di fonti connesse all’apparecchio, ottimizzando così i costi di produzione di energia.

Ulteriori caratteristiche di un metodo di gestione di energia prodotta da una molteplicità di tipi di fonti rinnovabili sono definite nelle rivendicazioni.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Queste ed altre caratteristiche dell’invenzione risulteranno più facilmente comprensibili dalla seguente descrizione di forme realizzative della stessa, fornite come esempi non limitativi, con riferimento alle figure allegate nelle quali:

- la figura 1 mostra uno schema a blocchi di connessione funzionale tra componenti di un apparato di trasformazione di energia secondo la presente invenzione in configurazione trifase, connesso a varie tipologie di fonti energetiche; - la figura 2 mostra uno schema a blocchi di connessione funzionale tra componenti di un apparato di trasformazione di energia secondo la presente invenzione in configurazione monofase, connesso a varie tipologie di fonti energetiche; - la figura 3 mostra una schematica vista prospettica di un apparato secondo la presente invenzione.

DESCRIZIONE DELLE FORME REALIZZATIVE PREFERITE

Con riferimento alla fig.1 à ̈ indicato complessivamente con 100 un apparato di trasformazione di energia elettrica secondo la presente invenzione comprendente batterie di accumulo di energia elettrica, 110, inverter, 120a, 120b, 120c, per la trasformazione di corrente continua in corrente alternata, regolatori di carica, 130a, 130b, 130c, 130d, 130e, per gestire e regolare il passaggio di energia da e verso le batterie, ed un’unità di controllo, 140, che gestisce l’intero apparato ed in particolare l’attivazione ed il prelievo di energia da fonti di energia esterne. In particolare, in questo esempio realizzativo, le fonti di energia esterne collegabili all’apparato sono: tre stringhe di pannelli fotovoltaici, Fa, Fb, Fc, ognuna collegabile ad un connettore di ingresso a corrente continua facente capo ad uno degli inverter, rispettivamente 120a, 120b, 120c; un generatore di energia elettrica trifase, G, collegabile ad una presa trifase dell’apparato in cui ogni fase fa capo ad un regolatore di carica, rispettivamente 130a, 130b, 130c; una turbina eolica, E, collegabile ad un connettore di ingresso a corrente continua che fa capo ad un ulteriore regolatore di carica, 130d; ed una turbina marina, M, collegabile ad un ulteriore connettore di ingresso a corrente continua facente capo ad un ulteriore regolatore di carica 130e.

Tra le batterie 110 ed i regolatori di carica 130a, 130b, 130c, 130d, 130e sono interposti un fusibile, 131, per proteggere le batterie stesse da sovraccarichi, ed un elemento misuratore della corrente in ingresso alle batterie, 132, che trasmette tale informazione all’unità di controllo 140. L’unità di controllo 140 riceve informazioni anche da sensori di temperatura, 111, associati alle batterie 110, dai regolatori e dagli inverter, e controlla i regolatori e gli inverter stessi, l’attivazione del generatore G, e delle altre fonti energetiche, ed un contattore in corrente continua, in grado di sezionare una linea trifase 150 per interrompere l’erogazione di corrente al carico esterno trifase in caso di sovraccarichi.

Infatti, ognuno degli inverter 120a, 120b, 120c à ̈ connesso ad una fase di una linea trifase, 150, che alimentano con corrente alternata. Analogamente, ognuno dei regolatori di carica 130a, 130b, 130c à ̈ connesso ad una fase della linea trifase 150. La linea trifase 150 fa capo ad una presa di uscita trifase, 160 che, ad esempio, può alimentare un motore asincrono trifase ampiamente utilizzato in molte applicazioni di tipo industriale. Con questo tipo di collegamento le stringhe di pannelli fotovoltaici Fa, Fb, Fc, ed il generatore G possono alimentare direttamente il carico esterno trifase, oppure la loro energia può essere regolata e riconvertita in corrente continua dei regolatori 130a, 130b, 130c per essere inviata alle batterie 110 dove viene immagazzinata. L’energia in corrente continua prodotta dalle turbine E ed M viene invece regolata dai regolatori di carica 130d e 130e rispettivamente ed inviata necessariamente alle batterie 110. La scelta di questa tipologia di collegamento non à ̈ vincolante e può essere applicata preferibilmente quando à ̈ previsto che i generatori eolici o marini collegabili all’apparato dell’invenzione non siano in grado di produrre potenze tali da poter alimentare direttamente il carico elettrico connesso all’uscita trifase 160.

Ad esempio, l’apparato sopra descritto potrebbe comprendere 8 batterie da 3,2 Volts di capacità complessiva di 25,6 KWh. Nel caso che alla presa di uscita trifase venga collegato un motore asincrono di potenza pari a 2 KWp le batterie potranno alimentare da sole il motore per più di 12 ore. Ipotizzando di connettere all’apparato, come fonti energetiche, esclusivamente un campo fotovoltaico di potenza complessiva pari a 5 KWp ed una turbina eolica ad asse verticale di potenza pari ad 1Kw. Durante il giorno il campo fotovoltaico Fa, Fb, Fc produce una potenza sufficiente sia ad alimentare l’utenza elettrica che a ricaricare le batterie, mentre la turbina eolica E, di potenza massima non sufficiente ad alimentare direttamente l’utenza elettrica, à ̈ deputata esclusivamente a ricaricare le batterie 110. Fonti energetiche della potenza suddetta, unitamente alle batterie comprese nell’apparato, sono in grado di alimentare una utenza elettrica trifase della potenza suddetta in modo continuativo nell’arco delle 24 ore.

Opzionalmente può essere collegato alla presa di ingresso trifase dell’apparato il generatore G, che ad esempio potrebbe essere un generatore a bio-diesel o a celle a combustibile, il quale potrebbe risultare utile in caso di maltempo prolungato o malfunzionamento delle altre fonti energetiche. Alternativamente, la presa di ingresso trifase potrebbe essere collegata alla rete elettrica, qualora quest’ultima fosse disponibile.

Con riferimento alla fig. 2 à ̈ descritta una seconda forma realizzativa, 200, di un apparato di trasformazione di energia elettrica secondo la presente invenzione comprendente batterie di accumulo di energia elettrica, 210, due raddrizzatori trifase, 220a, 220b, ed un inverter, 220c, per la trasformazione di corrente continua in corrente alternata, un regolatore di carica, 230, per gestire e regolare il passaggio di energia da e verso le batterie, ed un’unità di controllo, 240, che gestisce l’intero apparato ed in particolare l’attivazione ed il prelievo di energia da fonti di energia esterne. In particolare, in questo esempio realizzativo, le fonti di energia esterne collegabili all’apparato sono: una stringa di pannelli fotovoltaici, F, collegabile ad un connettore di ingresso a corrente continua facente capo all’inverter, 220c; un generatore di energia elettrica a corrente alternata monofase, G’, collegabile ad una presa a corrente alternata dell’apparato facente capo al regolatore di carica 230; una turbina eolica, E, collegabile ad un connettore di ingresso a corrente continua che fa capo ad un raddrizzatore, 220a; ed una turbina marina, M, collegabile ad un ulteriore connettore di ingresso a corrente continua facente capo ad un ulteriore raddrizzatore trifase 220b.

Tra le batterie 210 ed il regolatore di carica 230, sono interposti un fusibile, 231, per proteggere le batterie stesse da sovraccarichi, ed un elemento misuratore della corrente in ingresso alle batterie, 232, che trasmette tale informazione all’unità di controllo 240. L’unità di controllo 240 riceve informazioni anche da sensori di temperatura, 211, associati alle batterie 210, dal regolatore di carica e dagli inverter, e controlla il regolatore e gli inverter stessi, l’attivazione del generatore G, e delle altre fonti energetiche, ed un contattore in corrente continua, 251, in grado di sezionare una linea monofase in corrente alternata, 250, ed una linea in corrente continua, 270, per interrompere l’erogazione di corrente ai carichi esterni in caso di sovraccarichi.

Infatti, i raddrizzatori e l’inverter 220a, 220b, 220c sono connessi alla linea a corrente alternata, 250 a cui à ̈ connesso anche il regolatore di carica 230. La linea a corrente alternata 250 fa capo ad una presa di uscita a corrente alternata monofase, 260 che, ad esempio, può alimentare un motore a corrente alternata monofase o una molteplicità di utenze domestiche.

Una linea in corrente continua, 270, Ã ̈ connessa alle batterie 210 e fa capo ad una presa di uscita in corrente continua, 280, per alimentare utenze in corrente continua quale, ad esempio, un motore monofase.

Con questo tipo di collegamento tutte le fonti energetiche esterne possono alimentare direttamente le utenze, oppure possono contribuire a ricaricare le batterie 210.

In un esempio di applicazione della presente forma realizzativa dell’apparato dell’invenzione l’apparato comprende 8 batterie da 3,2 Volts con una capacità complessiva di 25,6 KWh. All’apparato possono essere collegati, come fonti energetiche, un campo fotovoltaico di potenza complessiva di 2 KWp ed una turbina eolica di potenza pari a 1 Kwp.

Con riferimento a fig. 3 i componenti di un apparato secondo l’invenzione, sia esso di tipo trifase o monofase, sono alloggiati in un singolo contenitore trasportabile, 300. Il contenitore 300 à ̈ vantaggiosamente una struttura in alluminio opportunamente coibentata dotata di un portello di accesso, 310, per scopi manutentivi, di un pannello di controllo, 320, di un pannello di alloggiamento dei connettori di ingresso, 330, e di un pannello di alloggiamento delle prese di uscita, 340.

Secondo un metodo di gestione della presente invenzione, l’unità di controllo, 140, 240, riceve informazioni dai componenti dell’apparato e da sensori ad essi associati per controllare il flusso di energia elettrica da e verso le batterie, ed in particolare per comandare l’attivazione e la disattivazione delle varie fonti energetiche connesse all’apparato secondo un ordine predeterminato.

Secondo una forma di applicazione preferita del metodo dell’invenzione l’unità di controllo gestisce l’erogazione di energia elettrica alle utenze esterne privilegiando l’erogazione di energia dalle batterie. Le fonti energetiche esterne alimentano prevalentemente le batterie.

Quando le batterie superano un determinato livello di carica le fonti energetiche esterne vengono sequenzialmente disattivate secondo un ordine che prevede al primo posto la rete di distribuzione di energie elettrica esterna ed i generatori G, al secondo posto i generatori fotovoltaici F, ed infine i generatori eolici e/o marini ed M. Nel caso che una o più delle suddette fonti energetiche non siano connesse all’apparato il metodo prevede il passaggio automatico alla fonte energetica successiva dell’ordine suddetto.

Quando la batteria si trova al di sotto di un determinato valore di carica, vantaggiosamente compreso tra il 40% ed il 50% della sua capacità, l’unità di controllo comanderà l’attivazione delle fonti energetiche esterne secondo un ordine inverso a quello precedentemente descritto.

Ovviamente, l’unità di controllo potrebbe anche eseguire l’attivazione e la disattivazione delle fonti energetiche esterne secondo criteri di ottimizzazione del rendimento energetico, dell’efficienza e del livello di servizio dell’apparato più complessi rispetto a quello sopra descritto.

Queste ed altre varianti o modifiche potrebbero essere apportate all’apparato dell’invenzione ed al relativo metodo di gestione, pur sempre rimanendo all’interno dell’ambito di protezione definito dalle rivendicazioni seguenti.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparato di trasformazione di energia prodotta da una molteplicità di fonti energetiche, utilizzabile in sistemi di produzione di energia elettrica di tipo a isola, comprendente: - almeno un inverter per la trasformazione di corrente continua in corrente alternata, - batterie di accumulo di energia elettrica, - almeno un regolatore di carica per regolare il passaggio di energia elettrica a/da dette batterie, e - almeno un’unità elettronica di controllo, caratterizzato dal fatto che detti componenti sono alloggiati all’interno di un contenitore trasportabile provvisto almeno di: connessioni di ingresso di energia elettrica in corrente alternata, connessioni di ingresso di energia elettrica in corrente continua, connessioni di uscita di energia elettrica in corrente alternata.
2. 2. Apparato di trasformazione di energia elettrica secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detti componenti di detto apparato sono collegati secondo uno schema elettrico trifase per alimentare una connessione di uscita in corrente alternata di tipo trifase.
3. 3. Apparato di trasformazione di energia elettrica secondo la rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che di comprendere almeno tre inverter monofase ed almeno tre regolatori di carica.
4. 4. Apparato di trasformazione di energia elettrica secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detti componenti di detto apparato sono collegati secondo uno schema elettrico monofase per alimentare almeno una uscita elettrica monofase in corrente alternata.
5. 5. Apparato di trasformazione di energia elettrica secondo la rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che detto apparato comprende almeno un’uscita elettrica in corrente continua.
6. 6. Metodo di gestione dell’energia elettrica prodotta da una molteplicità di fonti energetiche di diverso tipo in un apparato di trasformazione di energia elettrica comprendente almeno un inverter, batterie di accumulo di energia elettrica ed almeno un regolatore di carica per regolare il passaggio di energia elettrica a/da dette batterie, in cui l’apparato à ̈ provvisto di almeno una connessione di ingresso di energia in corrente continua prodotta da generatori fotovoltaici, almeno una connessione di ingresso di energia in corrente continua prodotta da generatori eolici ed almeno una connessione di ingresso di energia elettrica in corrente alternata, caratterizzato dal fatto che detto metodo prevede l’attivazione del prelevamento di energia dalle suddette connessioni per eseguire la carica di dette batterie secondo un ordine predeterminato e la disattivazione del prelevamento di energia dalle suddette connessioni secondo un ulteriore ordine predeterminato quando i livelli di carica di dette batterie raggiungono valori specificati.
7. 7. Metodo secondo la rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che allorché dette batterie superano un determinato livello di carica dette fonti energetiche esterne vengono sequenzialmente disattivate secondo un ordine che prevede al primo posto la rete di distribuzione di energie elettrica esterna e generatori a bio-diesel o a celle a combustibile, al secondo posto generatori fotovoltaici, ed infine generatori eolici e/o marini.
8. 8. Metodo secondo la rivendicazione 6 o 7 caratterizzato dal fatto che allorché dette batterie si trovano al di sotto di un determinato valore di carica, dette fonti energetiche esterne vengono sequenzialmente attivate secondo un ordine che prevede al primo posto generatori eolici e/o marini, al secondo posto generatori fotovoltaici, ed infine la rete di distribuzione di energie elettrica esterna e generatori a bio-diesel o a celle a combustibile.