ITSP20130001A1 - Apparato elettronico di potenza in corrente continua che controlla e gestisce in maniera intelligente la potenza di un impianto fotovoltaico di tipo connesso alla rete elettrica pubblica utilizzando la carica e la scarica di un gruppo di batterie ele - Google Patents
Apparato elettronico di potenza in corrente continua che controlla e gestisce in maniera intelligente la potenza di un impianto fotovoltaico di tipo connesso alla rete elettrica pubblica utilizzando la carica e la scarica di un gruppo di batterie eleInfo
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Description
Descrizione.
Apparato elettronico di potenza che controlla e gestisce in maniera intelligente la potenza generata da un impianto fotovoltaico di tipo connesso alla rete pubblica utilizzando la carica e la scarica di un gruppo di batterie elettriche.
CAMPO DELLA TECNICA
Il campo della tecnica della presente invenzione à ̈ quello della produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili ed in particolare degli impianti di produzione solari fotovoltaici connessi alla rete elettrica pubblica (104).
STATO DELLA TECNICA
La produzione di energia elettrica tramite conversione fotovoltaica dell'energia solare viene effettuata, ad oggi, nella quasi totalità , attraverso impianti fotovoltaici di tipo connessi alla rete pubblica come previsto dalla A.E.E.GJAutorità per l'Energia Elettrica e il Gas) con uno schema di collegamento rappresentato in figura 1. Questi impianti sono costituiti principalmente da un insieme di moduli fotovoltaici (100), uno più gruppi di conversione della corrente continua in corrente alternata detti Inverter di rete (101) collegati in parallelo, un dispositivo di interfaccia alla rete (102) e altri componenti elettrici minori. Gli impianti fotovoltaici di tipo connesso alla rete (figura 1) sono collegati in parallelo elettrico alla rete elettrica pubblica (104) e immettono tutta la potenza elettrica disponibile (in funzione dell'irraggiamento solare) a meno dell'autoconsumo ovvero della energia elettrica consumata in sito contemporaneamente alla produzione dalle utenze e/o dei servizi ausiliari (103) dell'impianto. Il fatto che gli impianti fotovoltaici connessi alla rete siano in parallelo elettrico alla rete pubblica ha determinato lo svilupparsi di inverter di rete (101) in cui non à ̈ previsto alcun sistema di gestione della potenza elettrica prodotta ma solo un sistema denominato MPPT (Maximum Power Point Tracking ) che modifica l'impedenza del circuito di ingresso dei moduli fotovoltaici e determina la massima potenza dell'inverter stesso in ogni condizione di irraggiamento solare.
Questo significa che in ogni momento, l'inverter di rete (101) eroga una potenza pari a quella massima ottenibile dai moduli fotovoltaici (100) in quelle condizioni di irraggiamento solare. Gli inverter di rete possono avere uno o più circuiti MPPT per gestire serie di più moduli fotovoltaici (denominate stringhe) con irraggiamento solare differente. Una piccola parte di impianti fotovoltaici sono invece di tipo "a isola" ovvero scollegati dalla rete elettrica. Per questi tipi di impianto sono previsti sistemi di accumulo dell'energia, prevalentemente di tipo elettrico, che permettono all'impianto di erogare potenza anche durante i periodi in cui non vi à ̈ irraggiamento solare, come la notte ; o in momenti in cui l'irraggiamento solare à ̈ insufficiente. Oggetto della presente invenzione à ̈ un apparato elettronico di potenza capace di controllare e gestire la potenza di un impianto fotovoltaico di tipo connesso alla rete pubblica come quello di figura 1 che per semplicità d'ora in poi chiameremo “Solar Eclipse". Per gli impianti di tipo connesso alla rete pubblica, oggetto di applicazione della presente invenzione, non sono stati quindi sviluppati in maniera efficace, nà ̈ sistemi di accumulo di energia nà ̈ sistemi di gestione della potenza sulla base di tre ipotesi fondamentali; la prima à ̈ che la rete pubblica fosse un eccellente sistema di accumulo, capace di ricevere una quantità di energia pressoché infinita, o comunque molto più grande di quella potenzialmente producibile dai suddetti impianti di rete, e di cederla nuovamente all'utente produttore in qualsiasi momento utilizzando il servizio di scambio sul posto come previsto dal G.S.E. (Gestore dei Servizi Energetici); la seconda à ̈ che, essendo gli impianti ad energie rinnovabili di tipo non programmabile, questi avessero precedenza di immissione in rete rispetto a quelli da fonti di energia non rinnovabile (centrali termoelettriche ; etc ..); questi ultimi infatti sono inquinanti e perciò sono provvisti della regolazione di potenza in funzione della domanda; la terza à ̈ che fossero trascurabili gli oneri di sistema e le perdite di distribuzione rispetto alle perdite dovute ai sistemi di accumulo dell'energia e/o alla gestione della potenza immessa in rete degli impianti fotovoltaici di rete. Queste tre ipotesi attualmente stanno perdendo la loro veridicità e si sta seguendo la strada della gestione intelligente dell’energia in maniera distribuita su tutta la rete elettrica ovvero dando importanza all'autoconsumo dei produttori di energia elettrica da fonte rinnovabile: la cosiddetta "Smart Grid". Attualmente sono allo studio sistemi di accumulo e gestione della potenza applicabili ad impianti fotovoltaici di tipo connesso alla rete (figura 2) ma, per quanto a mia conoscenza , si tratta di sistemi con le seguenti caratteristiche comuni: sono sistemi complessi che utilizzano molti componenti aggiuntivi rispetto ad un impianto di rete (Figura 1) di tipo standard senza accumuli; utilizzano almeno un inverter (204) aggiuntivo di tipo sinusoidale dettp “a isola" o “stand alone" in aggiunta all'inverter di rete (201) già esistente nell'impianto standard; gestiscono la potenza solo grazie a logiche di controllo complesse che necessitano di software e protocolli di comunicazione tra i vari apparati elettrici che quindi hanno bisogno di essere interfacciabili; sono sistemi costosi che attualmente non creano una ragionevole convenienza; in figura 2 à ̈ rappresentato uno schema tipo di un impianto di rete con aggiunta di un sistema di accumulo e gestione della potenza.
PROBLEMA TECNICO
Con lo svilupparsi degli impianti fotovoltaici e degli altri impianti ad energie rinnovabili ci si à ̈ accorti che la potenza generale di tutti gli impianti ad energia rinnovabile non programmabili collegati alla rete pubblica non à ̈ affatto trascurabile. A riguardo sono emersi problemi di potenza, tensione, fase, frequenza e di tutto ciò si à ̈ ampiamente discusso anche nell'ultima integrazione della norma CEI 0-21. A causa di tutto ciò premesso, à ̈ consolidato, allo stato attuale, che ogni utente attivo, ovvero produttore e consumatore di energia allo stesso tempo, debba riuscire ad autoconsumare la maggior quantità possibile di energia elettrica. Questo risultato si ottiene quando la curva di potenza (301) prodotta dall'impianto fotovoltaico à ̈ tanto piu' vicina alla curva di potenza (302) delle utenze elettriche. Il problema tecnico à ̈ quindi riuscire a trovare il sistema di accumulare nel sito di produzione l'energia prodotta in eccesso rispetto a quella necessaria ad alimentare le utenze quando rimpianto funziona ad alti livelli di potenza per poi riutilizzarla per alimentare le utenze quando l impianto non produce abbastanza o à ̈ spento, per esempio nel periodo notturno. In figura 3 à ̈ rappresentato, a titolo di esempio, un tipico andamento della potenza prodotta e della potenza assorbita di un utente attivo un impianto fotovoltaico connesso in rete per utenze domestiche. Nel periodo notturno, e nei momenti di massimo assorbimento delle utenze, c'à ̈ un prelievo di energia dalla rete rappresentato dall'area (303) mentre nella maggior parte del periodo diurno c'à ̈ un'immissione in rete rappresentata dall'area (304). In questo caso l'energia autoconsumata rappresentata dall'area ( 305 ) à ̈ solo circa il 30% rispetto a quella totale prodotta dall'impianto rappresentata dall'area (305) più l'area (304). L'impianto fotovoltaico ideale ed intelligente sarebbe quello che produce la stessa energia di quella consumata dalle utenze con una curva di potenza uguale a quella delle utenze, ovvero che verifichi il bilancio energetico nell'arco di una giornata e quello di potenza istante per istante.
SOLUZIONE PROPOSTA SOLAR ECLIPSE
Consideriamo per semplicità il caso di un impianto fotovoltaico connesso alla rete pubblica costituito da un solo inverter di rete dotato di un solo circuito di ingresso MPPT per poi, in analogia, estendere la soluzione Solar Eclipse al caso di impianti con più di un inverter in parallelo ovvero con più circuiti MPPT, Il Solar Eclipse (403) à ̈ un sistema semplice che si interpone, in parallelo elettrico, tra l' inverter di rete (404) e una (o piu') stringa di moduli fotovoltaici (401) che controlla la potenza dell’inverter di rete in funzione di una logica impostata secondo il segnale di potenza del sensore potenza rete (407). Al Solar Eclipse (403) sono collegate anche un pacco batterie dimensionate in maniera adeguata (402) da cui esso si autoalimenta. Il Solar Eclipse à ̈ un sistema in corrente continua che simula il comportamento di una stringa di moduli fotovoltaici quando vengono colpiti da un irraggiamento solare minore o maggiore a quello che effettivamente li colpisce istantaneamente a seconda di una logica stabilita, ovvero à ̈ un sistema che simula il comportamento di una stringa di moduli fotovoltaici ma con potenza di uscita controllabile. Il Solar Eclipse, infatti, quando si vuole diminuire la potenza in ingresso alVinverter di rete (404) carica il pacco batterie (402) attivando un circuito carica batterie CC/CC di tipo swithching e quindi assorbendo potenza dai moduli (401). Quando invece si vuole aumentare la potenza in ingresso alVinverter di rete (404) il Solar Eclipse attiva un circuito CC/CC elevatore di tipo switching che preleva potenza dalle batterie (402) e la immette all'ingresso dell'MPPT dell’inverter (404) sommandola a quella dei moduli (401). L'inverter di rete durante il suo funzionamento, attraverso il circuito MPPT, cerca in ogni istante di ottenere la massima potenza possibile dal circuito di uscita di Solar Eclipse (403) come se fosse una (o più) normale strìnga di moduli fotovoltaici, ma Solar Eclipse à ̈ in grado di controllare la potenza del suo circuito di uscita attraverso il meccanismo appena descritto; in questo modo si ottiene il risultato di poter controllare la potenza dell'inverter di rete stesso. Il circuito di uscita di Solar Eclipse quindi simula di essere una strìnga di moduli fotovoltaici, "facendo credere" all'inverter di rete di gestire una potenza proveniente da moduli fotovoltaici irraggiati dal sole. Il sistema costituito da moduli fotovoltaici (401), batterìe (402) e Solar Eclipse (403) diventa quindi un generatore in corrente continua con valori di tensione e corrente molto vicini a quelli dei moduli fotovoltaici ma con potenza gestita da una logica dì controllo. La logica di controllo di Solar Eclipse si pone come obbiettivo quello di massimizzare l'autoconsumo di un utente attivo e quindi di portare a zero la potenza immessa e prelevata dalla rete. Per il principio di Kircchoff applicato al nodo in figura 4 à ̈ rispettata la seguente equazione: PINV GRID- PL0AD= PRETE â– <Dove:>PINV.GRIDà ̈ la potenza erogata dall'inverter di rete (404) positiva; PLOADà ̈ la potenza assorbita dalle utenze (406) positiva; PRETEà ̈ la potenza della rete pubblica (408) positiva quando immessa, negativa quando prelevata. Questo significa che ogni volta che la potenza dell'inverter di rte (404) supera la potenza delle utenze (406), la potenza di rete (408) sarà positiva ovvero ci sarà un'immissione di potenza nella rete pubblica. Ogni volta invece che la potenza dell'inverter di rete (404) à ̈ inferiore alla potenza del carico (406), la potenza di rete (408) sarà negativa ovvero ci sarà un prelievo ovvero un assorbimento dalla rete pubblica. La logica di Solar Eclipse (403) legge la potenza di rete tramite il sensore (407) posto a valle del nodo e modifica la potenza in uscita dal circuito di Solar Eclipse in modo tale da rendere tale potenza pari a zero. L'equazione che regola la logica di Solar Eclipse à ̈ quindi: PINV.GRID- PLO ADPRETE— 0 Questa à ̈ la condizione ideale di autonomia dalla rete elettrica che Solar Eclipse realizza a meno dei limiti dettati dall'energia prodotta dai moduli fotovoltaici (401), dalle capacità delle batterie (402), e della potenza di uscita dell'inverter di rete (404). Se Solar Eclipse viene dimensionato con potenza massima in funzione booster ( circuito elevatore attivo) e in funzione carica batterie (circuito caricabatterie attivo) pari a quella della potenza massima dell'MPPT dell'inverter, Solar Eclipse riesce a controllare la potenza del suo circuito di uscita da zero fino ad un valore massimo pari alla potenza del circuito MPPT dell’inverter con qualsiasi condizione di irraggiamento solare; si ha: PS0L ECL— 0 ~ ΡΜΡΡT. Dove PSOL ECLà ̈ la potenza del circuito di uscita di Solar Eclipse e PMPPTà ̈ la potenza massima del circuito MPPT dell'inverter di rete. Solar Eclipse (503) à ̈ costituito quindi, più nel dettaglio in figura 5, da un circuito caricabatterie switching (512) dotato di sensori V, 1 (514) e microcontrollore (513), un circuito elevatore switching (508) dotato di sensori V, I (509) e microcontrollore (510) e una logica di controllo e comando principale (511) dotata di sensori interni VJ (517) ed esterni (506). Se la potenza richiesta dalle utenze (505) à ̈ minore della potenza dei moduli fotovoltaici (501 ), la logica di controllo (511 ) di Solar Eclipse attiva il circuito carica batterìe (512) assorbendo potenza dai moduli fotovoltaici (501). Se la potenza richiesta dalle utenze (505) à ̈ maggiore della potenza dei moduli fotovoltaici (501 ), la logica di controllo (512) di Solar Eclipse attiva il circuito elevatore (508) aggiungendo potenza ai moduli fotovoltaici (501). La potenza del circuito MPPT deil'inverter di rete (504) sarà uguale quindi alla potenza in uscita di Solar Eclipse (503) ovvero:
<P>MPPT<= P>SOL ECL — PMOD+ PBOOST<->PBAT CHARdove PMPPTà ̈ la potenza dell'inverter di rete (504), PSOL ECLà ̈ la potenza del circuito di uscita di Solar Eclipse (503), PM0Dà ̈ la potenza della stringa di moduli fotovoltaici (501), PB00STà ̈ la potenza del circuito elevatore (508) del Solar Eclipse, PBAT CHAR. à ̈ la potenza del circuito carica batterie (512) del Solar Eclipse. Precisamente la potenza del carica batteria (512) à ̈ data da: PBAT CHAR= PM0D— PLOADquando si ha PM0D>
PLOADmentre la potenza del circuito booster (508) Ã ̈ data da: PBOOST= PLOAD- PMODquando
PMOD< PLOAD. Quando PM0D= PLOADl'equilibrio con la rete à ̈ già verificato e quindi Solar Eclipse rimane con in circuiti in regime stazionario (stessa potenza di caricabatterie o stessa potenza di circuito elevatore) oppure in stand-by. Ovviamente per evitare continue accensioni e spegnimenti dei due circuiti carica batterie (512) e elevatore (508) à ̈ presente un "step" di potenza minimo che acconsenta l'accensione / spegnimento dei circuiti interessati. Il funzionamento ideale di Solar Eclipse ovviamente à ̈ possibile a condizione che il pacco batterie (502) sia dimensionato con caratteristiche di carica, scarica e capacità idonee alle caratteristiche dell’utente. Nel caso in cui le batterie (502) siano scariche ovvero abbiano completato il ciclo di scarica, il circuito elevatore (508) viene disattivato dalla logica di controllo (511) fino alla successiva fase di carica. Nel caso in cui sia raggiunto il livello massimo di carica del pacco batterie (502) ovvero sia stato completato il ciclo di carica, il circuito carica batterie (512) viene disattivato dalla logica di controllo (511) fino alla successiva scarica o fino ad una eventuale auto scarica. Nella pratica à ̈ necessario infine monitorare far acquisire alla logica di comando e controllo principale (511) anche la potenza dei moduli tramite il sensori (517) di tensione e corrente in modo da ricavare la somma PM0D+
PBOOST<=>PMPPTed evitare che tale valore superi il valore di potenza massima ammessa dal circuito MPPT. Solar Eclipse à ̈ quindi costituito da due circuiti di potenza switching uno di carica batterie (512) ed uno di elevazione (508). L'attivazione/spegnimento e il valore di potenza dei due circuiti viene stabilito dalla logica di comando e controllo principale di Solar Eclipse (511) secondo la logica di figura 6. Per la realizzazione pratica e il corretto funzionamento entrambi i circuiti swichting rispettivamente (508) e (512) possono erogare fluidamente il valore di potenza comandato dalla logica (511) solo se, a loro volta, vengono gestiti da microcontrollorì rispettivamente (510) e (513) con un "feedback" in potenza dato da sensori rispettivamente (509) e (514) posizionati lato batterie. Mentre questo à ̈ usuale per il carica batterie dove si controlla la potenza monitorando i valori di tensione e corrente in uscita, non lo à ̈ per il circuito elevatore dove
i si controlla la potenza monitorando i valori di tensione e corrente in ingresso al circuito stesso.
Questo à ̈ stato voluto per lasciare un grado di libertà ai valori di tensione e corrente dei circuiti di uscita del Solar Eclipse in parallelo ai moduli fotovoltaici. In questo modo, grazie alla tecnologia switching si assorbe o si cede potenza alla stringa di moduli fotovoltaici senza impostare un valore predefìnito di tensione o corrente della stringa, ma solo il valore di potenza voluto. Così il circuito MPPT dell'inverter di rete vede un aumento o una diminuzione di potenza massima possibile a seconda che si attiva in parallelo il circuito elevatore o carica batterie di Solar Eclipse dove i valori di tensione e corrente non sono impostati dal controllo dei circuiti switching ma ricercati dal MPPT come valori di massima potenza possibile; Si ha: PMPPT= PMAX— VΜΡΡΤIMPPTdove: PMPPTà ̈ la potenza istantanea dell'inverter di rete, PMAXà ̈ la potenza massima istantanea ottenibile dal circuito di uscita di Solar Eclipse, VMPPTe IMPPTsono la tensione e la corrente del circuito di uscita di Solar Eclipse, pari ovviamente a quelle in ingresso al circuito MPPT, individuate dalla logica MPPT come punto di massima del circuito di uscita del Solar Eclipse. Durante il funzionamento quindi, se la logica di controllo principale (511) di Sola Eclipse comanda un aumento del valore di potenza del circuito elevatore (508), il microcontrollore (510) comanda a sua volta un aumento del ciclo di lavoro della valvola a semiconduttore della sezione di potenza (516) del circuito fino al
<TOFF>
raggiungimento del valore impostato di potenza controllato dai sensori (509). Analogamente, per il circuito carica batterie (512) se la logica di controllo principale (511) di Sola Eclipse comanda un aumento del valore di potenza del circuito carica batterie (512), il microcontrollore (513) comanda a sua volta un aumento del ciclo di lavoro della valvola a semiconduttore della
T0FF
sezione di potenza (515) del circuito fino al raggiungimento del valore impostato di potenza controllato dai sensori (514). Infine, nel caso in cui siano presenti più di un MPPT oppure più di un inverter di rete, Solar Eclipse viene configurato in analogia al caso di un singolo MPPT con un unico pacco batterie ed un unico circuito carica batterie ma con un numero di circuiti elevatori pari al numero di MPPT presenti nell'impianto fotovoltaico connesso alla rete. Per quanto riguarda la gestione dei circuiti elevatori la logica di funzionamento di Solar Eclipse rimane la stessa con la differenza che la logica di comando e controllo principale di Solar Eclipse deve considerare oltre alla potenza immessa o prelevata dalla rete pubblica anche la potenza di ogni singola stringa (o i gruppi di stringhe in parallelo) di moduli fotovoltaici per attivare e comandare ogni singolo circuito elevatore impostandone la potenza fino ad ottenere l'equilibrio con la rete ma senza superare la potenza massima ammissibile di ogni circuito MPPT. Questa logica di funzionamento à ̈ necessaria in quanto le stringhe (o i gruppi di stringhe in parallelo) possono essere irraggiati da
valori di potenza solare differenti dovute al posizionamento dei moduli fotovoltaici, quindi possono avere valori di potenza elettrica anche molto diversi.
DESCRIZIONE DISEGNI
Figura 1: (100) moduli fotovoltaici, (101) inverter di rete, (102) dispositivo di interfaccia di rete, (103) utenze, (104) rete pubblica. In figura 1 à ̈ rappresentato lo schema a blocchi di un impianto fotovoltaico connesso alla rete pubblica oggetto del campo di applicazione della presente invenzione denominata "Solar Eclipse". Da notare che l'impianto à ̈ in parallelo elettrico con la rete pubblica e che tutta la potenza prodotta dall'impianto viene immessa nella rete pubblica a meno dell'autoconsumo istantaneo come dal principio di Kirchhoff applicato al nodo in figura.
Figura 2: (200) moduli fotovoltaici, (201) inverter di rete, (202) dispositivo di interfaccia di rete, (203) pacco batterie elettriche, (204) inverter sinusoidale o "ad isola", (205) utenze, (206) rete pubblica. In figura 2 à ̈ rappresentato un tipo di impianto " ibrido " allo stato attuale della tecnica dove sono presenti due inverter, uno di rete ed uno " ad isola" sinusoidale. E' necessario un sistema di comunicazione tra inverter esistente di rete e nuovo inverter ad isola affinchà ̈ il sistema funzioni oltre all'impossibilità di funzionamento in parallelo alla rete quando linverter sinusoidale à ̈ attivo con conseguente limitazione della potenza ad un valore pari alla potenza massima dell'inverter sinusoidale o alla potenza residua del pacco batterie.
Figura 3: (301) curva di potenza prodotta dai moduli fotovoltaici che coincide con la curva di potenza dell'inverter di rete in caso di impianto fotovoltaico di tipo connesso alla rete pubblica allo stato attuale della tecnica, (302) curva di potenza assorbita dalle utenze che coincide con la curva di potenza dell'inverter di rete in caso di impianto fotovoltaico di tipo connesso alla rete pubblica con applicazione dell'apparato elettronico di potenza Solar Eclipse, (303) energia richiesta alla rete pubblica (prelevata) in caso di impianto fotovoltaico di tipo connesso alla rete pubblica allo stato attuale della tecnica, (304) energia ceduta alla rete pubblica (ceduta) in caso di impianto fotovoltaico di tipo connesso alla rete pubblica allo stato attuale della tecnica, (305) energia auto consumata (prodotta e consumata istantaneamente) dall'utente attivo, PL0ADpotenza assorbita dalle utenze, PM0Dpotenza prodotta dai moduli fotovoltaici, PBATT CHARpotenza del circuito carica batterie del Solar Eclipse che assorbe potenza ai moduli fotovoltaici, PBOOSTpotenza del circuito elevatore del Solar Eclipse che aggiunge potenza ai moduli fotovoltaici. In figura 3, si osserva che Solar Eclipse durante il suo funzionamento rende la potenza di uscita dell'inverter di rete
( PINV.GRID) coincidente alla curva di potenza del carico (302). La curva di potenza (301) invece coincide con la curva di potenza dei moduli ( PMOD) ma non coincide necessariamente con la potenza dell'inverter di rete a meno di punti particolari indicati in figura 3 in cui si abbia PL0 AD= PMOD. differenza tra la curva (301) e (302) rappresenta la potenza del circuito carica batteria (512) di Solar Eclipse quando (301) > (302) e la potenza del circuito elevatore (508) quando (302) > (301 ).
Figura 4: (401) moduli fotovoltaici, (402) pacco batterie elettriche, (403) trovato della presente invenzione denominato "Solar Eclipse", (404) inverter di rete, (405) dispositivo interfaccia di rete, (406) utenze, (407) sensori potenza di rete V, I, e fase, (408) rete pubblica. In figura 4 viene rappresentato l'inserimento di Solar Eclipse tra la stringa (o più) di moduli fotovoltaici e l'inverter di rete esistente. Al Solar Eclipse (403) vengono inoltre collegati il pacco batterie (402) e i sensori esterni di potenza rete (407). Con il funzionamento di Solar Eclipse viene azzerata la componente potenza di rete del nodo in figura.
Figura 5: (501) moduli fotovoltaici, (502) pacco batterie elettriche, (503) trovato della presente invenzione “Solar Eclipse", (504) inverter di rete, (505) utenze, (506) sensori di potenza V, I, fase rete pubblica, (507) rete pubblica, (508) circuito elevatore, (509) sensori di potenza V, 1 di di controllo circuito elevatore, (510) microcontrollore circuito elevatore, (511) logica di comando e controllo principale Solar Eclipse, (512) circuito caricabatterie, (513) microcontrollore circuito carica batterie, (514) sensori di potenza V, I di controllo del circuito carica batterie, (515) sezione di potenza del circuito caricabatterie, (516) sezione di potenza del circuito elevatore, (517) sensori di potenza V, I dei moduli fotovoltaici. La figura 5 rappresenta l'oggetto del trovato Solar Eclipse nel caso in cui sia presente un solo MPPT. Fanno parte dell'apparato Solar Eclipse anche i sensori di potenza di rete (506) che saranno completi di lettura V, I,fase e direzione della corrente / potenza.
Figura 6: (601) lettura sensore di potenza di rete, (602) diminuisci di uno step la potenza del circuito carica batterie, (603) il circuito caricabatterie à ̈ attivo, (604) il circuito elevatore à ̈ attivo, (605) diminuisci di uno step la potenza del circuito elevatore, (606) spegni il circuito elevatore, (607) aumenta di uno step la potenza del circuito elevatore, (608) le batterie sono scariche, (609) imposta il valore minimo di potenza del circuito elevatore, (610) le batterie sono totalmente cariche, (611) imposta il valore minimo di potenza del circuito caricabatterie, (612) aumenta di uno step la potenza del circuito caricabatterie, (613) spegni il circuito caricabatterie, (614) accendi il circuito caricabatterie, (615) accendi il circuito elevatore, PINV GRIDà ̈ la potenza erogata dall'inverter di rete, PLOADà ̈ la potenza assorbita dalie utenze, STEP à ̈ un valore prefissato adatto al corretto funzionamento a gradini di Solar Eclipse. In figura 6 à ̈ rappresentato il ciclo di lavoro a blocchi del Solar Eclipse evidenziato da un funzionamento a "step". La logica di comando e controllo principale di Solar Eclipse ha un parametro fondamentale da monitorare che à ̈ la potenza immessa o prelevata dalla rete pubblica. Questo parametro viene fornito dai sensori di potenza rete esterni (506) che forniscono un numero positivo quando la potenza à ̈ immessa nella rete e un numero negativo quando la potenza à ̈ prelevata dalla rete pubblica espresso anche dall'equazione
PINV GRID- PLOAD. La decisione di procedere verso le funzioni di carica o verso le funzioni di elevazione viene presa quando il sensore di potenza fornisce una valore maggiore di uno "step" prefissato. Se la potenza immessa in rete supera lo step stabilito , il circuito di carica batterie viene acceso al primo step o incrementato di uno step di potenza a meno che il ciclo di carica delle batterie non sia già completo oppure viene diminuita di uno step la potenza del circuito elevatore qualora quest'ultimo fosse già attivo. Se la potenza prelevata dalla rete supera lo step stabilito, il circuito elevatore viene acceso al primo step o incrementato di uno step di potenza a meno che il ciclo di scarica delle batterie non sia già completo oppure viene diminuita di uno step la potenza del circuito caricabatterie qualora quest'ultimo fosse già attivo. Se la potenza immessa o prelevata dalla rete rimane entro un valore minimo minore dello step stabilito, la logica principale di Solar Eclipse non invia ai microcontrollori dei circuiti di caricabatterie / elevatore comandi di variazione di potenza fino a che non vengono raggiunti i limiti di carica piena o scarica totale delle batterie impostati, ovvero si rimane in una situazione di potenza stazionaria e di equilibrio con la rete pubblica. A condizione che le batterie non siano scariche o totalmente cariche, si realizza quindi il controllo della potenza del circuito MPPT dell'inverter in modo tale che la potenza richiesta o ceduta alla rete sia trascurabile (< step).
Figura 7: (701) struttura di sotegno e protezione apparati elettronici di potenza di Solar Eclipse, (702) cavi di potenza con sezione 50 mmq di connessione al pacco batterie a 48 V cc e 200 Ah, (705) cavo di segnale schermato di connessione ai sensori esterni di potenza rete pubblica, (703) cavi di potenza con sezione 6 mmq di connessione alla stringa di moduli fotovoltaici, (704) cavi di potenza con sezione 6 mmq di connessione all'inverter di rete. In figura 7 Ã ̈ rappresentata la possibile applicazione del trovato Solar Eclipse ad un utente attivo residenziale con impianto fotovoltaico ad una stringa di moduli e potenza 3 kW.
MODO DI ATTUAZIONE DI SOLAR ECLIPSE
Un possibile sempio di attuazione di Solar Eclipse à ̈ quella di un sistema di backup per utenze residenziali da 3kw come rappresentato in figura 7. Si prende un pacco batterìe costituito da 4 batterie stazionarie da 12 v 200 ah collegate in serie, il pacco batterìe, considerata una scarica al 50% possiede una capacità di 4,8 kwh. l'impianto fotovoltaico connesso alla rete da 3 kw e' normalmente costituito da una stringa di moduli con tensione di lavoro compresa tra 200 500 v cc. Si realizza un apparato elettronico di potenza, totalmente in corrente continua, non isolato, che si autoalimenta dal pacco batterie. Si realizza un circuito booster switching di tipo step-up con un limite di tensione massima attorno a 600 v, controllo della potenza impostato sui valori di tensione e corrente all'ingresso del circuito stesso, quindi Iato batterie, e potenza attorno ai 3 kw. oltre al valore di potenza impostato dalla logica centrale del Solar Eclipse, si devono impostare dei limiti in tensione e corrente dettati dalla fase di scarica delle batterìe. Si realizza parimenti un circuito di carica batterìe step-down con controllo di potenza, corrente e tensione di uscita, lato batterie, a seconda che le batterie siano al piombo o al litio, e a seconda della fase di carica, oltre al valore di potenza impostato dalla logica centrale di solar eclipse si devono impostare dei limiti in tensione e corrente dettati dalla fase di carica delle batterie. Si realizza la logica di comando e controllo principale che ha come valori di ingresso principali il sensore di potenza rete (tensione, corrente e sfasamento), corrente e tensione circuito elevatore, corrente e tensione circuito carica batterie, stato di attivazione dei due circuiti. Altri valori in ingresso accessori saranno la potenza dei moduli fotovoltaici (tensione e corrente), la temperatura dei circuiti di potenza, lo stato di carica /scarica delle batterie, il numero di cicli effettuati, e molti altri necessari al funzionamento di dettaglio. Si realizza quindi una morsettiera di potenza dove verranno inseriti i due cavi della stringa dei moduli fotovoltaici e da dove usciranno altri due cavi di potenza destinati all'ingresso dell’inverter di rete, sempre sulla morsettiera di potenza saranno presenti i due cavi destinati al collegamento del pacco batterie da 48 v che andrà isolato non essendo isolato a sua volta dalla rete, la morsettiera dei segnali presenterà invece il segnale di potenza rete (completo di tensione, corrente e sfasamento) e una presa di rete per il monitoraggio e il controllo dell'intero impianto fotovoltaico domestico. Non sarà presente l'alimentazione che avviene direttamente dai moduli fotovoltaici che in caso di mancanza rete, effettueranno la carica delle batterie completa.
Claims (4)
- RIVENDICAZIONI 1) Apparato elettronico di potenza in corrente continua collegato in parallelo elettrico a una ( o più) stringhe di moduli fotovoltaici (501) e ad uno (o più) inverter di tipo connesso alla rete pubblica (504), capace di controllare la potenza di tale sistema in funzione delle necessità delle utenze (505) utilizzando la carica e la scarica di un gruppo di batterie elettriche (502) ad esso collegate, costituito da un circuito switching di caricabatterie (512) utilizzato per assorbire la potenza dei moduli fotovoltaici, uno (o più) circuiti switching elevatore (508) utilizzato per integrare la potenza in uscita dai moduli fotovoltaici, una logica di comando e controllo (511) e un gruppo sensori esterno (506) perla misura della potenza scambiata con la rete pubblica.
- 2 ) Apparato elettronico di potenza secondo la rivendicazione 1 ) caratterizzato dal fatto che la logica di controllo (511) gestisce la potenza del (degli) inverter di rete in funzione dell’assorbimento delle utenze (505), secondo la logica di figura 6, portando il valore della potenza scambiata con la rete pubblica a valori prossimi allo zero.
- 3) Apparato elettronico di potenza secondo la rivendicazione 1) e 2) caratterizzato dal fatto di possedere almeno un circuito elevatore switching (508) che funziona con un controllo di potenza di uscita effettuato da sensori (509) posti in entrata al circuito stesso, ovvero senza un vincolo sui valori di tensione e corrente di uscita del circuito stesso.
- 4) Apparato elettronico di potenza secondo la rivendicazione 1), 2) e 3) caratterizzato dal fatto di posseder un circuito caricabatterie switching (512) che funziona con un controllo di potenza di uscita effettuato da sensori (514) posti in uscita al circuito stesso, ovvero senza un vincolo sui valori di tensione e corrente di entrata del circuito stesso.
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