ITTO20110762A1 - Sistema di generazione e utilizzo (per accumulo ed erogazione) di energia elettrica prodotta da fonti di energia elettrica in corrente continua modulari, e relativo metodo di gestione del sistema - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell’Invenzione Industriale avente per titolo:-“Sistema di generazione e utilizzo (per accumulo ed erogazione) di energia elettrica prodotta da fonti di energia elettrica in corrente continua modulari, e relativo metodo di gestione del sistemaâ€

DESCRIZIONE

CAMPO DI APPLICAZIONE DELL’INVENZIONE

L’ambito di applicazione dell’invenzione riguarda un sistema di generazione, gestione ed utilizzo di energia elettrica prodotta da fonti di energia elettrica in corrente continua modulari, e relativo metodo di gestione del sistema.

STATO DELLA TECNICA

Una parte rilevante dei sistemi di produzione di energia elettrica à ̈ ancora ad oggi costituita da centrali di grandi dimensioni, per le quali sono rilevanti i problemi riguardanti il trasporto e la distribuzione dell’energia, nel senso che à ̈ importante essenzialmente rendere minime le perdite lungo le linee, le quali sono attraversate da correnti monodirezionali ed abbastanza regolari. Il trasporto di energia avviene in alta tensione lungo la maggior parte del percorso effettuato.

In futuro, invece, una quota sempre più significativa di energia elettrica sarà prodotta in quantità piccole e quindi sarà necessariamente immessa in rete in media o bassa tensione; sarà quindi molto importante rendere minime le trasformazioni ed il trasporto dell’energia prodotta. La condizione ideale prevede che vi siano “isole energetiche†, territorialmente compatte, in cui la produzione ed i consumi di energia grossomodo si equivalgano ed in cui gli scambi di energia tra isole, ed in particolare tra isole non adiacenti, siano il più possibile ridotti.

Quindi vi saranno significative quote di energia prodotte in quantità piccole, sia per il fatto che saranno diffusi piccoli impianti, e sia per il fatto che anche gli impianti più grossi potranno produrre poca energia.

Nel seguito si farà riferimento in modo esemplificativo ad energia elettrica prodotta da sistemi di conversione fotovoltaici. Infatti la fonte di energia fotovoltaica esemplifica in maniera molto efficace i problemi che si porranno con il diffondersi delle Fonti di Energia Rinnovabile (di seguito anche indicate con l’acronimo FER) e delle infrastrutture di rete ad “isole†. Tuttavia problemi analoghi potranno essere posti in relazione ad altre fonti di energia che si prestano ad una diffusione distribuita aventi caratteristiche di funzionamento simili agli impianti fotovoltaici, quali impianti di produzione di energia da fonti rinnovabili basate sulla conversione fotoelettrochimica dell’energia solare.

Oppure ancora in senso più generale a fonti di energia elettrica in corrente continua modulari, quali ad esempio micro-eolico con dinamo in corrente continua (DC), oppure sistemi di trasformazione di energia meccanica in energia elettrica in corrente continua, ecc…

Di conseguenza molte delle conclusioni a cui si giungerà saranno generalizzabili e non limitate al caso di presenza di energia elettrica prodotta con sistemi fotovoltaici, ma anche a questi altri tipi di sistemi, in cui siano coinvolte fonti di energia non programmabile, per le quali non sia possibile programmare un profilo di produzione nel tempo, includendo nel profilo, non solo la potenza, ma anche la caratteristica corrente-tensione.

Come à ̈ noto, la radiazione solare investe tutto il territorio, e quindi lo sfruttamento di tale radiazione per produrre energia elettrica à ̈ naturalmente distribuito sul territorio. Inoltre, essendo l’efficienza di conversione non particolarmente elevata, per produrre una quantità di energia significativa à ̈ in genere necessaria un’area di dimensioni rilevanti. E’ quindi prevedibile che in futuro tali impianti fotovoltaici saranno distribuiti su vasti territori, come sono distribuiti, ad esempio, i fabbricati con coperture idonee ad ospitare l’installazione di detti impianti.

Anche se le previsioni del tempo meteorologico potranno migliorare ulteriormente, e quindi sarà sempre più facile prevedere se una giornata sarà più o meno soleggiata, non sarà mai realisticamente possibile avere una previsione del profilo istantaneo di produzione di un impianto fotovoltaico, che à ̈ caratterizzato, nelle giornate in cui vi sono alcune nuvole in cielo, da variazioni enormi (anche da produzione massima a produzione bassissima o nulla) in pochi secondi, in corrispondenza ad esempio di ombreggiature dovute al veloce passaggio di nuvole. Inoltre, quand’anche un profilo di produzione istantaneo fosse prevedibile, non à ̈ ipotizzabile di pretendere un profilo di consumo capace di seguire le rapide variazioni di produzione che sono tipiche di un impianto fotovoltaico.

Risulta quindi chiaro come il problema del bilanciamento della rete à ̈ destinato a diventare un problema sempre più importante al crescere della quota di energia che verrà prodotta in genere da fonti non programmabili (quali sono le fonti che sfruttano fenomeni naturali spontanei e non programmabili o forzabili, come il fotovoltaico). Il concetto di bilanciamento della rete à ̈ un concetto istantaneo, ovvero la rete deve essere bilanciata istante per istante, e sbilanciamenti di segno opposto, anche in rapida sequenza non si compensano ma si sommano in termini di effetti negativi sull’integrità del sistema elettrico.

E’ noto tentare di risolvere il problema del bilanciamento facendo ricorso a Sistemi di Accumulo dell’Energia (di seguito anche indicati con l’acronimo SAE). Tali sistemi sono in grado di assorbire ed immagazzinare energia quando questa à ̈ prodotta, e di metterla a disposizione dei carichi quando questi la richiedono.

Attualmente un impianto di produzione di energia rinnovabile basato sull’energia fotovoltaica di tipo noto à ̈ composto da un certo numero di pannelli solari connessi a un sistema di inverter che converte l’energia, prodotta intrinsecamente in forma di tensione continua dai pannelli, in tensione alternata in modo da poter essere utilizzata da utilizzatori locali o ceduta, sempre in forma alternata, alla rete pubblica di distribuzione dell’energia.

Il sistema di inverter quindi riceve l’energia generata in continua e la converte in alternata adattando il carico visto dalla sorgente alle condizioni di potenza, in termini di coppia tensione-corrente (I-V), generata dai pannelli istante per istante. Ciò tipicamente avviene con sistemi di controllo ad esempio basati su elaborazioni condotte secondo algoritmi di MPPT (Maximum Power Point Tracking). Questa soluzione presenta alcuni inconvenienti:

- la conversione continua-alternata genera perdite di conversione;

- per determinati intervalli di valore di corrente e tensione l’inverter non può funzionare o funziona con bassa efficienza per cui l’energia generata dalla FER va dispersa in tutto o in parte;

- in alcune particolari condizioni o orari la rete può non essere in grado di assorbire l’energia generata dall’impianto per cui essa à ̈ costretta a interromperne il flusso con conseguente perdita.

Quest’ultima evenienza si verifica tipicamente in condizioni di illuminazione scarsa o comunque insufficiente (alba, tramonto, nebbia, foschia o cielo nuvoloso).

Questa configurazione tipica, in cui tutta l’energia prodotta viene direttamente convertita in regime alternato, risulta inefficiente quando i carichi sono in regime continuo, in quanto diventa necessaria una doppia conversione per ricondursi nuovamente al regime continuo.

Tuttavia tale inefficienza à ̈ stata fino ad oggi poco rilevante in quanto i carichi tipici sono in regime alternato e la gran parte della produzione à ̈ immessa in rete. Ciò à ̈ destinato a cambiare in un prossimo futuro, in quanto le reti non potranno assorbire quantità crescenti di energia prodotta in modo non programmato senza soffrire di problemi di sbilanciamento.

Di conseguenza dovranno essere inseriti a valle dei sistemi di produzione dei sistemi di accumulo di energia SAE, e questi, in fase di carica sono assimilabili a dei carichi in regime continuo.

Comunque, anche nelle configurazioni tipiche tra sistema fotovoltaico-inverter, dove tutto l’onere dell’adattamento tra FER ed inverter viene esercitato dall’inverter, quando la produzione di energia cade al di sotto di una certa soglia, l’energia elettrica a corrente continua non può essere convertita in regime alternato e pertanto viene persa.

Secondo l’arte nota, si cerca di introdurre flessibilità introducendo tecniche di configurazione flessibile. In questi casi però, essendo il sistema di pannelli solari tipicamente organizzato in stringhe, quando alcuni pannelli sono occasionalmente ombreggiati, e quindi la loro produzione può drasticamente calare rispetto agli altri pannelli non ombreggiati, tali pannelli vengono esclusi dalla produzione, ma normalmente tale esclusione coinvolge tutta la stringa in cui tali pannelli sono inseriti: tale misura comporta quindi uno spreco di energia, in quanto altri pannelli della stringa esclusa continuerebbero a produrre efficacemente energia.

Per ovviare a questo genere di perdite à ̈ noto un metodo descritto nell’articolo “An Adaptive Photovoltaic-Inverter Topology – Mahamoud A. Alahmad et al., Università del Nebraska (USA), 2011-IEEE 978-1-61284-220-2/11†. In questo articolo si propone di utilizzare diversi inverter di diverse caratteristiche che vengono collegati in modo programmabile a stringhe di pannelli solari in modo da ampliare la gamma di valori di illuminazione per cui l’impianto continua a produrre energia rispetto a un impianto fotovoltaico configurato in modo fisso, come avviene normalmente. Allo scopo di ottimizzare l’accoppiamento tra impianto fotovoltaico ed inverter, la lunghezza delle stringhe, che determina la tensione d’uscita dell’impianto, à ̈ configurata in maniera flessibile, in modo da realizzare stringhe più lunghe quando la produzione à ̈ minore, e stringhe più corte quando la produzione à ̈ maggiore. Secondo questo metodo noto la realizzazione di circuiti serie-parallelo flessibili normalmente si avvale di matrici di interruttori, come mostrato in Fig. 1, che rappresenta un caso tipico in cui i moduli fotovoltaici sono collegabili ad una matrice di commutazione “Switching Matrix†che permette di modificare i vari collegamenti.

Questo metodo di collegamento basato su una matrice di interruttori ha però lo svantaggio di richiedere molto cablaggio in quanto i singoli moduli fotovoltaici devono essere provvisti di cavi che coprano la distanza tra essi stessi e la matrice di commutazione. E’ chiaro che nel caso di impianti fotovoltaici piuttosto estesi tali cablaggi diventano abbastanza onerosi, anche in termini di costo (si osserva che anche le matrici di interruttori sono sistemi abbastanza complessi al crescere della dimensione della matrice). Inoltre, nella soluzione proposta nell’articolo citato, sono necessari più inverter, e quindi continuano ad esserci le perdite introdotte in sede di conversione dell’energia da continua ad alternata.

In ogni caso questa soluzione non risolve il problema di compensare gli sbilanciamenti molto rapidi determinati dalle condizioni di illuminamento dei pannelli per cui possono accadere delle brusche variazioni dell’erogazione di energia elettrica all’uscita dell’impianto.

La configurazione di impianto modulare di generazione di energia in corrente continua attualmente largamente più diffusa, prevede che i singoli moduli (pannelli) siano collegati in stringhe fisse. Ogni stringa à ̈ costituita da un numero fisso di moduli collegati in serie, e tali stringhe sono poi collegate in parallelo. L’uscita di questa combinazione serie-parallelo viene collegata ad un inverter che trasforma l’energia in ingresso portandola ad un regime alternato che può essere immesso in rete o utilizzato dai comuni carichi che funzionano in regime alternato. E’ chiaro che né la potenza e né le caratteristiche corrente-tensione dell’impianto di produzione sono costanti e variano da zero ai valori di picco dell’impianto. E’ per tale motivo che la tecnologia degli inverter si à ̈ evoluta per poter presentare negli stadi di ingresso tutti in necessari meccanismi di adattamento che servono a far funzionare gli stadi di inverter al meglio dell’efficienza. E’ altresì chiaro che comunque i rendimenti di tali inverter sono ottimali in un certo intervallo di valori di ingresso, mentre hanno prestazioni inferiori all’allontanarsi da questo intervallo. Secondo le più comuni e frequenti configurazioni e come già detto, qualora si preveda di avvalersi anche della prestazione di accumulo dell’energia mediante SAE, in genere l’energia viene fornita in regime alternato ai SAE interponendo dei sistemi di raddrizzamento detti caricabatterie (in genere abbastanza costosi), anch’essi caratterizzati da un’efficienza inferiore al 100%.

Da quanto detto appare chiaro che ogni sistema FER-SAE di tipo noto presenta problemi di adattamento e gestione che normalmente vengono affrontati ricorrendo ad un certo numero di trasformazioni DC-AC e AC-DC ed adattamenti che consentono poi ad ogni apparato di funzionare ai regimi ottimali, anche in presenza di una fonte di energia di partenza molto variabile. E’ comunque evidente che ogni sottosistema di adattamento e trasformazione introduce perdite e raggiunge punti di funzionamento non ideali.

Un’alternativa teorica all’impiego di carica-batterie AC/DC per procedere ad accoppiamenti ottimali in continua con i sistemi di accumulo consisterebbe nell’impiego di convertitori DC/DC. Tuttavia questa soluzione introdurrebbe costi eccessivi che sarebbero necessari per dotare ogni singolo modulo di un convertitore di qualità adeguata e capace di lavorare su un intervallo di valori sufficientemente ampio. Va comunque sottolineato che anche tali apparati convertitori non hanno tolleranze di valori di ingresso totalmente libere.

Un ulteriore ambito di problematica à ̈ costituito dal fatto che l’evoluzione dei sistemi elettrici del futuro sembra procedere verso sistemi che vengono definiti di “Smart Grid†, ovvero reti elettriche che non saranno più “semplici†infrastrutture di trasporto, ma incorporeranno anche funzioni di gestione dell’energia interagendo in modo automatico con i carichi, con fonti di produzione e con SAE.

Questo concetto di “Smart Grid†combinato con il dato di fatto che molte FER sono fonti energetiche distribuite e di taglia medio-piccola, determina, come già affermato, una spinta alla diffusione di architetture di rete ad “isole†o a “distretti energetici†. Tali “distretti energetici†sono caratterizzati dall’utilizzo di calcolatori, detti anche controllori, deputati alla gestione della risorsa energetica in tutti i suoi aspetti. Il numero di tali calcolatori, la loro dislocazione fisica ed il dettaglio delle funzioni ad essi demandate, sono ad oggi ancora oggetto di diverse proposte, e non à ̈ escluso che lo sviluppo reale dei concetti di “Smart Grid†si verrà a basare su schemi architetturali anche diversi da zona a zona e da operatore ad operatore, senza per questo intaccare la potenziale efficacia delle “Smart Grid†in termini di efficiente gestione dell’energia. Un esempio noto di controllore che implementa un procedimento per ottimizzare l’efficienza energetica di un sistema elettrico che includa dei carichi (più o meno flessibili), delle fonti di energia (FER) e dei SAE à ̈ descritto nel brevetto US-7783390-B2. Tuttavia il sistema elettrico descritto prevede il posizionamento dei SAE a valle degli inverter, con l’insorgenza dei problemi già sopra descritti, relativi alla presenza dei convertitori AC/DC per l’alimentazione dei SAE.

SOMMARIO DELL’INVENZIONE

Pertanto scopo della presente invenzione à ̈ quello di indicare un sistema di generazione e utilizzo (per accumulo ed erogazione) di energia elettrica prodotta da fonti di energia elettrica in corrente continua modulari, e relativo metodo di gestione del sistema, atto a risolvere i problemi su esposti.

E’ oggetto della presente invenzione un sistema di generazione e utilizzo (per accumulo ed erogazione) di energia elettrica prodotta da fonti di energia elettrica in corrente continua modulari, comprendente: un sistema di moduli interconnessi per la produzione di energia elettrica in corrente continua, detto sistema di moduli interconnessi essendo posizionato a monte di uno o più sistemi di conversione DC/AC; un sistema di elementi interconnessi per l’accumulo ed erogazione di energia elettrica prodotta da detti moduli (pannelli) di produzione di energia elettrica, detto sistema di elementi interconnessi essendo posizionato a monte di detti uno o più sistemi di conversione DC/AC; almeno un’unità di controllo elettronico, configurata per gestire le interconnessioni tra detti moduli e le interconnessioni tra detti elementi in modo tale che almeno alcuni di detti moduli interconnessi forniscano energia elettrica direttamente ad almeno alcuni di detti elementi per accumulo ed erogazione, e/o a detti uno o più sistemi di conversione DC/AC, e che almeno alcuni di detti elementi eroghino energia elettrica direttamente a detti uno o più sistemi di conversione DC/AC.

Preferibilmente in detto sistema di generazione e utilizzo (per accumulo ed erogazione) di energia elettrica, detta almeno un’unità di controllo elettronico à ̈ inoltre configurata in modo che detto sistema di elementi interconnessi eroghi energia elettrica direttamente ad un sistema di carico in DC.

Preferibilmente in detto sistema di generazione e utilizzo (per accumulo ed erogazione) di energia elettrica, detto sistema di moduli (pannelli) interconnessi per la produzione di energia elettrica comprende due o più prime stringhe, ogni prima stringa comprendente una di dette prime linee elettriche, detta almeno un’unità di controllo elettronico comprendente mezzi per determinare collegamenti parallelo tra dette prime stringhe, oppure per frazionare gruppi di prime stringhe in parallelo.

Preferibilmente in detto sistema di generazione e utilizzo (per accumulo ed erogazione) di energia elettrica, detto sistema di elementi interconnessi per l’accumulo ed erogazione di energia elettrica comprende due o più seconde stringhe, ogni seconda stringa comprendente una di dette seconde linee elettriche, detta almeno un’unità di controllo elettronico comprendente mezzi per determinare collegamenti parallelo tra dette seconde stringhe, oppure per frazionare gruppi di seconde stringhe in parallelo.

E’ particolare oggetto della presente invenzione un sistema di generazione e utilizzo (per accumulo ed erogazione) di energia elettrica prodotta da fonti di energia elettrica in corrente continua modulari, e relativo metodo di gestione del sistema come meglio descritto nelle rivendicazioni, che formano parte integrante della presente descrizione.

BREVE DESCIZIONE DELLE FIGURE

Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione che segue di esempi di realizzazione preferiti della stessa, descritti a puro titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni annessi, in cui:

la figura 1 mostra un esempio di sistema di interconnessione tra pannelli fotovoltaici di tipo noto;

le figure da 2 a 5 mostrano esempi di realizzazione di un sistema di interconnessione tra pannelli fotovoltaici in accordo con la presente invenzione;

le figure 6 e 7 mostrano schemi a blocchi di interconnessione tra un sistema di generazione di energia elettrica rinnovabile, un sistema di accumulo di energia elettrica, ed un relativo sistema di controllo in accordo con la presente invenzione;

la figura 8 mostra un esempio di realizzazione di un sistema di interconnessione tra celle del sistema di accumulo di energia elettrica oggetto dell’invenzione;

la figura 9 mostra un esempio di diagramma di flusso operativo del sistema di controllo oggetto dell’invenzione. Gli stessi numeri e le stesse lettere di riferimento nelle figure identificano gli stessi elementi o componenti.

DESCRIZIONE DI DETTAGLIO DI ESEMPI DI REALIZZAZIONE

Nel seguito si farà specifico riferimento ad un caso non limitativo di energia elettrica prodotta da sistemi di conversione fotovoltaici. L’ambito di applicazione dell’invenzione tuttavia si intende esteso comunque ad impianti di produzione di energia da fonti rinnovabili basate sulla conversione foto-elettrochimica dell’energia solare. L’ambito di applicazione dell’invenzione si intende esteso in senso ancora più generale a fonti di energia elettrica in corrente continua modulari, quali ad esempio micro-eolico con dinamo in corrente continua (DC), oppure sistemi di trasformazione di energia meccanica in energia elettrica in corrente continua, ecc…

Secondo un primo aspetto dell’invenzione, si sfrutta il fatto che gli impianti FER, ed in particolar modo quelli costituiti da impianti fotovoltaici, sono caratterizzati da essere in genere composti da pannelli o moduli abbastanza piccoli rispetto alle dimensioni dell’impianto complessivo.

Tali moduli possono essere collegati tra di loro in modo tale da poter essere combinati in serie e/o in parallelo con assoluta flessibilità. La figura 2 illustra come sia possibile ottenere tale flessibilità mediante l’azionamento molto semplice di un certo numero di interruttori.

La figura 2 mostra come i singoli moduli M1, ….. Mn di un ipotetico circuito possono essere organizzati in stringhe di lunghezza variabile mediante la manovra di semplici interruttori I1, ….In Si intende con “stringa†un insieme di moduli collegati in modo che si possano presentare all’esterno, tutti assieme, con due soli morsetti. Immaginiamo quindi i moduli ordinati in fila, anche se à ̈ chiaro che nella pratica questa fila può essere compattata in una specie di serpentina in modo da occupare razionalmente lo spazio disponibile.

In funzione del comportamento istantaneo di ciascun modulo à ̈ possibile stabilire il numero di moduli consecutivi da collegare in serie, determinando così la tensione voluta, che à ̈ di tipo continuo, ai capi del circuito, identificati come Anodo A1 (terminale positivo) e Catodo C1 (terminale negativo). Raggiunto il numero voluto di moduli consecutivi da collegare in serie si interrompe il collegamento in serie e, manovrando opportunamente l’interruttore come rappresentato in figura 2 à ̈ possibile portare gli elettrodi di due pannelli consecutivi rispettivamente all’anodo A1 ed al catodo C1 dell’impianto, per poi cominciare a costituire una nuova serie (o stringa) di moduli. Tutte le varie serie (o stringhe) così costituite risultano pertanto collegate in parallelo tra di loro.

La figura 2 mostra nelle sue parti superiore ed inferiore un solo Anodo ed un solo Catodo. Tuttavia à ̈ possibile prevedere un sistema con 2, 3 o un numero generico “N†di coppie Anodo-Catodo, organizzate in modo tale che l’intero insieme di moduli possa essere partizionato in 2, 3 o “N†diversi sottocircuiti o sezioni.

Le figure 3.1 e 3.2 che seguono nostrano esempi di circuiterie sezionabili in 2 o 3 ripartizioni.

Il caso di ripartizione in due sezioni S1 e S2, Fig. 3.1, dell’energia prodotta à ̈ particolarmente semplice. Insiemi di stringhe di moduli connesse in parallelo formano una sezione, S1 o S2. Qui à ̈ sufficiente attestare i due morsetti di ingresso/uscita di ogni sezione ad estremità opposte di Anodo e Catodo ed aprire degli interruttori opportunamente per separare le stringhe secondo la proporzione voluta.

Anche la ripartizione in tre sezioni S’1, S’2, S’3 (Fig. 3.2) à ̈ molto semplicemente attuabile aprendo i conduttori di Catodo e di Anodo delle sezioni in due punti anziché in uno solo come nel caso di ripartizione in due. In questo caso, un altro morsetto di ingresso/uscita verrà attestato su una nuova coppia di conduttori.

Dagli esempi fatti risulta chiaro come sia possibile generalizzare il numero di ripartizioni, organizzando opportunamente i collegamenti delle stringhe.

La ripartizione in più sezioni di stringhe può essere ad esempio usata per fornire l’energia elettrica prodotta dalle varie sezioni ad utilizzatori diversi.

Lo schema elettrico riportato Fig. 2 prevede l’impiego di interruttori posizionati tra i moduli, i cablaggi sono decisamente ridotti rispetto al caso dell’arte nota in cui gli interruttori sono concentrati in una matrice, ma la posa dell’impianto con la realizzazione dei relativi collegamenti può essere ulteriormente semplificata.

Infatti, per realizzare lo schema riportato in Fig. 2 si può procedere in modo estremamente semplice posizionando gli interruttori in corrispondenza degli elettrodi di ogni modulo o pannello fotovoltaico, integrandoli quindi nel pannello stesso.

Come mostrato in Fig. 4, à ̈ sufficiente che ogni singolo modulo N-1, N, N+1, includa un paio di interruttori semplici a due posizioni I41, I42, e che presenti tre morsetti di ingresso MI e tre di uscita MU (in figura si identificano quelli del modulo N). Tale caratteristica risulta particolarmente vantaggiosa nella posa di grossi impianti fotovoltaici, che occupano aree molto estese e per i quali la semplicità di installazione e di manutenzione à ̈ un fattore rilevante, e quindi la possibilità che gli interruttori necessari siano integrati nel modulo stesso (senza necessità di installarli a parte) à ̈ senza dubbio interessante.

E’ sufficiente quindi posare il sistema fotovoltaico collegando con un cavo trifilare i tre morsetti di uscita di ciascun pannello con i tre morsetti di ingresso del pannello successivo.

I tre fili rappresentano rispettivamente la “linea di anodo†A4, la “linea di catodo†C4, e la “linea di stringa†S4. La “linea di stringa†S4 serve per collegare l’anodo di un pannello con il catodo del pannello adiacente nel caso i due pannelli siano da collegare in serie. I pannelli possono anche essere collegati tutti in parallelo, chiudendo l’anodo di ogni pannello sulla linea di anodo A4 ed il catodo di ogni pannello sulla linea di catodo C4.Il caso tipico, comunque, prevede che circuiti serie vengano collegati tra loro in parallelo. E’ chiaro che i circuiti da collegare in parallelo (che nel caso in questione si comportano come generatori) devono avere il loro punto di massima efficienza tutti alla stessa tensione, allo scopo di limitare l’insorgere di correnti indesiderate. Normalmente, pertanto, quando si tratta di collegare moduli tutti identici tra di loro, sarà necessario configurare dei circuiti serie composti da un egual numero di moduli, per poi collegare tutti questi circuiti serie, tra di loro, in parallelo.

E’ ovviamente possibile il caso di moduli diversi tra di loro, ad esempio illuminati in modo eterogeneo, come i pannelli solari che per motivi estetici vengono montati con inclinazioni diverse per seguire la superficie di un fabbricato, oppure ancora di diverso tipo di utilizzo di fonte energetica,. Il loro mutuo collegamento, ad esempio in parallelo, sarà più complesso, ma comunque possibile, dovendo ricercare configurazioni in cui tutti i circuiti collegati in parallelo abbiano un punto di lavoro ottimale (o comunque accettabile) ad una stessa tensione.

Quindi il catodo di ciascun pannello va collegato o con l’anodo del pannello adiacente attraverso la “linea di stringa†S4, se da connettere in serie, o con la “linea di catodo†S4 se tale pannello costituisce l’estremità negativa della stringa; mentre l’anodo di ciascun pannello va collegato o con il catodo del pannello adiacente , se da connettere in serie, o con la “linea di anodo†A4 se tale pannello costituisce l’estremità positiva della stringa.

Come mostrato in Figura 5, complicando leggermente il sistema dei contatti, ed aggiungendo un interruttore, Ã ̈ possibile anche escludere un singolo pannello.

Gli interruttori di anodo I51 e di catodo I53 di un pannello possono anche essere posti in una terza posizione (oltre a quelle previste in base a quanto descritto in relazione alla fig. 4) in cui non fanno contatto con alcuna linea: in tal caso la linea di stringa S5 deve essere chiusa con un apposito interruttore I52. Così posizionando gli interruttori un pannello risulta escluso.

I metodi noti con cui un pannello viene escluso (quando ad esempio ombreggiato e/o danneggiato), non consentirebbero di ripristinare l’ottimale lunghezza di stringa, e pertanto, tali situazioni vengono gestite nell’arte nota escludendo dalla produzione di energia un’intera stringa.

Il controllo degli interruttori può essere telecomandato e gestito da un sistema di controllo a livello del “distretto energetico†a cui si attesta l’impianto. L’azionamento degli interruttori può essere semplicemente effettuato con un comando elettrico trasportato sulla stessa linea di trasferimento dell’energia elettrica (ad esempio sulle linee di anodo e catodo) con tecniche ad “Onde Convogliate†(Power-Lines) di per sé note. Si noti che il comando da inviare a ciascun interruttore à ̈, nel caso più semplice, di un bit.

Rispetto alle applicazioni “Power Line†tradizionali in cui i dati sono trasferiti su cavi in cui vi à ̈ una trasmissione di energia in regime alternato, questo caso appare più semplice in quanto il regime di trasmissione dell’energia à ̈ continuo, e quindi à ̈ molto facilmente separabile da qualsiasi portante, anche a frequenza relativamente bassa su cui trasmettere i dati. In ogni caso, uno dei numerosi standard già definiti per questo genere di applicazioni può certamente essere usato allo scopo. A titolo di esempio si citano gli standard IEEE P1901, oppure quelli definiti da alleanze industriali quali la “Universal Powerline Association†o la “HomePlug Powerline Alliance†.

Anche se le necessità trasmissive di questa applicazione sono estremamente ridotte, e quindi non ci sono certamente problemi ad utilizzare la tecnica delle “Onde Convogliate†, à ̈ possibile utilizzare un ulteriore accorgimento volto a ridurre ulteriormente i disturbi. Dato che l’azionamento degli interruttori non à ̈ un’operazione da effettuare continuamente e ad alte frequenze, si può trasmettere tutti i comandi a tutti gli interruttori, senza che questi commutino immediatamente dopo aver ricevuto il comando, per poi commutare con un ritardo prefissato, oppure alla ricezione di un segnale di “trigger†. In questo modo si evita che, a causa della commutazione dei primi interruttori si generino dei transitori di disturbo che potrebbero ostacolare la trasmissione dei comandi per gli ultimi interruttori.

Data la semplicità della soluzione, à ̈ possibile integrare tali interruttori nella struttura stessa del pannello in fase di costruzione, con costi aggiuntivi marginali. In questo modo à ̈ possibile produrre dei pannelli collegabili molto semplicemente e configurabili in modo molto flessibile in combinazioni serie-parallelo.

In questo caso la “linea di catodo†e “la linea di anodo†passano nel “Sistema di connessione†di ciascun modulo, e sono quindi anch’esse facilmente interrompibili e quindi adatte a realizzare le partizioni del sistema sopra descritte.

E’ chiaro che per partizioni superiori all’ordine due, à ̈ necessario far passare ulteriori coppie di linee anodo/catodo come spiegato in precedenza. E’ pertanto chiaro che, nel caso si vogliano integrare le linee di anodo e di catodo nella struttura dei moduli (ad esempio per evitare la posa di cablaggi esterni), tali linee (pur sempre integrabili nella struttura) dovranno essere bi-filari nel caso si vogliano consentire tri-partizioni, realizzando lo schema elettrico rappresentato in figura 3.2. Ordini di partizione più numerosi, richiederanno che le linee di anodo e di catodo siano realizzate con numeri crescenti di linee conduttrici). Varianti che mirino ad ulteriori risparmi di cablaggi sono possibili posizionando in modo opportuno (ad esempio su lati opposti del pannello) le triplette di morsetti di ingresso e di uscita. E’ pure possibile prevedere la presenza nel pannello di spine o prese complementari a incastro che non hanno bisogno di alcun cablaggio esterno e che servono anche a rafforzare l’accoppiamento meccanico tra i pannelli della griglia fotovoltaica.

Gli interruttori possono anche essere configurati in modo tale da rendere possibile l’asportazione del pannello, in caso ad esempio di guasto, riparazione, sostituzione. Ad esempio, à ̈ possibile dotare il pannello di connettori di ingresso e di uscita, che connettono le linee di catodo, anodo e stringa agli interruttori. Nel caso di integrazione degli interruttori nel pannello, i connettori comprendono connessioni tali che, in caso di asportazione del pannello, cortocircuitano la linea di stringa ed aprono le connessioni alle linee di anodo e catodo. Oppure nel caso di interruttori esterni al pannello, à ̈ sufficiente azionare gli interruttori come sopra descritto, e disconnettere i connettori del pannello.

La realizzazione di dette varianti circuitali à ̈ alla portata del tecnico del ramo.

In generale si può affermare che, dato un insieme di pannelli fotovoltaici, sia possibile organizzarli collegandoli in modo flessibile allo scopo di avere un numero prefissato di uscite sulle quali ripartire la potenza generata o assorbita controllandone corrente e tensione, essendo tale controllo effettuabile con la precisione data dalle caratteristiche di corrente e tensione dei singoli elementi di generazione.

Si à ̈ visto anche come, applicando le tecniche di configurazione flessibile delle stringhe citate in precedenza, sia possibile che anche una FER classica, quale un impianto fotovoltaico, possa essere configurata in modo da presentare in uscita una tensione controllabile, dipendendo la precisione della tensione d’uscita dalla tensione di lavoro del singolo pannello in determinate condizioni di temperatura ed irraggiamento, contribuendo pure a risolvere in modo ottimale i problemi di bilanciamento energetico su esposti.

Secondo ulteriori aspetti della presente invenzione, analogamente a quanto si può fare nel riconfigurare in modo flessibile i collegamenti serie parallelo di un impianto modulare di generazione di energia elettrica in corrente continua, si può procedere a riconfigurare anche i collegamenti di un sistema di accumulo SAE. Infatti la maggior parte dei sistemi di accumulo sono caratterizzati dall’essere composti da moduli elementari che, in genere, sono collegati in modo fisso per presentare ai morsetti una tensione grossomodo costante e per poter erogare la potenza che viene dichiarata. Tuttavia, nell’applicazione a valle di un impianto fotovoltaico, anche un SAE può essere convenientemente realizzato in modo da avere una configurazione dei suoi collegamenti interni flessibile e tale da accettare diverse tensioni e correnti di carica.

Quindi modificando le connessioni serie parallelo sia di FER che di SAE, e potendo partizionare sia FER che SAE, à ̈ possibile ottenere ottimizzazioni nella gestione dell’energia.

L’invenzione insegna ad operare tali configurazioni con il semplice ricorso a soli interruttori comandabili da un calcolatore o controllore sul quale sono caricati programmi di comando degli interruttori, e programmi che implementano algoritmi, di per sé noti, di ricerca delle condizioni di funzionamento ottimo, in cui la funzione da ottimizzare può essere sia tecnica che economica.

Si osserva che quanto più numerosi sono gli elementi sia di FER che di SAE, tanto più sono raffinate le ricerche di accoppiamento ottimo tra i vari elementi.

In definitiva à ̈ a questo punto chiaro come una FER possa essere collegata anche ad un SAE, oltre che ad un inverter, senza passare attraverso stadi di conversione DC-AC e AC-DC, semplicemente configurando opportunamente le configurazioni serie-parallelo di FER e di SAE in modo da rendere il più possibile vicine la tensione d’uscita della FER e la tensione di ingresso ottimale per la carica del SAE. Per quanto riguarda le correnti, il problema appare meno critico in quanto il SAE può in genere accettare una gamma di correnti più ampia, in genere à ̈ essenziale che vi sia la corrente minima capace di innescare il processo di carica, mentre correnti troppo elevate potrebbero surriscaldare troppo la batteria compromettendone il rendimento e, in casi limite, danneggiandola. Nel caso di produzioni molto basse, e quindi di correnti basse, si può prevedere la carica di pochi moduli del SAE, al limite un solo modulo alla volta, e quindi si può prevedere il funzionamento dell’accoppiamento anche con una corrente molto bassa, se si pensa che normalmente i SAE possono essere sistemi molto granulari e composti da decine, o centinaia, di moduli elementari.

Normalmente i SAE sono di tipo elettrochimico, sia che si tratti di classiche batterie al piombo o al gel, sia che si tratti di sistemi a circolazione di elettrolita, o altri sistemi di accumulo di vario tipo.

In ogni caso si può sfruttare il fatto che i SAE sono costituiti da un certo numero di moduli o celle elementari che vengono collegate in serie ed in parallelo per presentarsi come un sistema con una sola coppia di morsetti di ingresso/uscita. Collegando vari moduli tra di loro in serie, si ottiene un circuito che presenta ai morsetti una tensione maggiore, e poi collegando tra di loro in parallelo i circuiti-serie si ottiene un circuito capace di assorbire/erogare correnti sempre maggiori all’aumentare del numero dei circuiti collegati in parallelo.

La possibilità di manovrare con assoluta flessibilità un opportuno insieme di interruttori consente inoltre di lavorare impiegando solo porzioni del SAE. Ciò à ̈ molto utile soprattutto quando sono in gioco, in fase di carica, energie molto basse.

Quindi tutti gli schemi di collegamento flessibile dei vari moduli FER precedentemente illustrati possono essere applicati anche agli elementi dei sistemi di accumulo SAE. Un esempio di realizzazione di interconnessioni tra moduli di SAE sarà descritto nel seguito.

Nell’accoppiamento tra FER e SAE, potendo agire sia nel controllo della tensione d’ingresso al SAE e sia nel controllo della tensione di uscita dalla FER, à ̈ possibile in genere trovare le combinazioni che più si avvicinano alla soluzione ottima.

Anche per i SAE come per le FER, oltre alla possibilità di combinare con flessibilità i collegamenti serie/parallelo, à ̈ importante anche poter realizzare le sezionabilità. Ad esempio, nel caso di valori di produzione di energia particolarmente bassi da immagazzinare, à ̈ possibile fisicamente caricare solo alcuni elementi del SAE, oppure, essendo i diversi elementi del SAE ad un diverso stato di carica, si può procedere a fasi di scarica o di carica selettive.

La presente invenzione consente di realizzare una ulteriore funzionalità che può essere eseguita in ambito locale in seno ad una “Smart Grid†. Tale funzionalità prescinde dalle scelte hardware che interessano i calcolatori deputati a far funzionare la “Smart Grid†, e prevede che vengano risolti i problemi di adattamento in DC delle varie parti dei sistemi (FER – SAE – inverter), ed inoltre che venga ottimizzata la ripartizione dell’energia disponibile (da FER o da SAE).

La presente invenzione risolve quindi sia problemi di adattamento in continua tra le varie parti del sistema, sia problemi di gestione della risorsa energetica mediante un controllore, che può essere un dispositivo dedicato quanto una funzione eseguita da uno dei vari calcolatori certamente presenti nelle “Smart Grid†.

La figura 6 illustra i principali elementi del sistema, che comprende almeno un FER, almeno un SAE, e almeno un controllore CNT. FER e SAE si trovano a monte dei sistemi di conversione DC/AC comprendenti almeno un sistema di inverter INV1 verso carichi esterni, come la rete di distribuzione di energia elettrica pubblica, e/o almeno un sistema di inverter INV2 verso carichi interni locali, come la rete elettrica domestica.

L’esempio di figura 6 riporta due reti di carico perché à ̈ questo il caso più tipico, in quanto à ̈ utile distinguere tra i carichi privati, che possono essere gestiti con criteri di “Smart Grids†, e associati in modo privilegiato alla FER , ad esempio per autoconsumo, ed i carichi generici esterni connessi ad una rete esterna o pubblica. In realtà potrebbero essere presenti un numero qualsiasi di reti di carico.

Le linee tratteggiate indicano scambi di informazioni e/o comandi, mentre le linee continue rappresentano flussi di energia elettrica. In particolare si realizza scambio bidirezionale di informazioni e/o comandi tra controllore CNT e FER, SAE, INV2 (ad esempio relativi a previsioni di disponibilità di energia elettrica, o diagnostica), mentre il controllore CNT può in genere solo ricevere informazioni dalla rete esterna tramite l’inverter INV1 (ad esempio può ricevere informazioni sul prezzo a cui la rete à ̈ disposta ad acquisire o cedere eventuale energia disponibile). FER può fornire flussi di energia a SAE, e agli inverter INV1, INV2.

SAE può ricevere energia da immagazzinare da FER e può fornire energia agli inverter INV1, INV2.

Ovviamente nulla vieta che anche la rete pubblica possa ricevere comandi ed informazioni dal controllore CNT. Inoltre à ̈ anche possibile la gestione di un flusso di energia da rete esterna a SAE: tale opzione potrebbe risultare utile per acquistare energia a prezzo favorevole, in opportuni intervalli temporali, da usare ad esempio durante ore di punta in cui il prezzo dell’energia sarebbe massimo ed in cui non si prevede di produrre energia a sufficienza da parte di FER.

Inoltre à ̈ possibile configurare SAE in modo che possa fornire diversi valori di tensione ad uscite prestabilite, eventualmente riconfigurabili dal controllore, che sono quindi utilizzabili da carichi locali funzionanti a tensione continua e/o di convertitori DC/DC che adattano i livelli di tensione generabili dal SAE per questi carichi. In questo modo si guadagna in efficienza eliminando o perlomeno diminuendo la dissipazione energetica dovuta alla conversione DC/AC operata dagli inverter e quella successiva operata dagli alimentatori degli apparecchi funzionanti in continua (per esempio cellulari, notebook, carica-batterie, ecc….).

Lo scambio di informazioni tra controllore CNT ed inverter INV1, INV2 può avvenire su un bus ethernet mentre lo scambio di informazioni tra controllore e FER e tra controllore e SAE può avvenire su “Onde Convogliate†. E’ possibile che i SAE di una certa dimensione siano già dotati di un loro controllore che svolge alcune funzioni di gestione del sistema; in tal caso anche le comunicazioni tra il controllore CNT ed il controllore del SAE possono avvenire su un bus ethernet, mentre possono transitare su “Onde Convogliate†le informazioni di comando degli interruttori tra il controllore del SAE e gli interruttori stessi.

Anche le FER possono essere associate ad un controllore specifico che dialoga con il controllore CNT su un bus ethernet, per poi trasmettere su “Onde Convogliate†i comandi agli interruttori del FER stesso.

I controllori del SAE e della FER possono essere visti come delle estensioni del controllore CNT, quindi nel seguito faremo sempre riferimento alle comunicazioni tra controllore e SAE e tra controllore e FER intendendo per controllore il controllore CNT.

Quando ci si riferisce a comunicazioni su bus ethernet, si intende che la comunicazione à ̈ tra calcolatori e che quindi può essere usata una comune tecnica per gestire questo tipo di comunicazioni: ad esempio, anche una comunicazione WiFi o una tecnica M2M.

Si considera ora un esempio tipico di utilizzo di una rete come quella descritta in riferimento alla figura 6.

Si considera la produzione di una FER data da un impianto modulare di generazione di energia elettrica in corrente continua costituito da N pannelli in un generico istante T1. In tale istante T1 la FER sta rendendo disponibile un ammontare di potenza Pf1, mentre la rete dei carichi interni sta richiedendo una potenza Pc1, con Pc1<Pf1.

Il controllore CNT à ̈ collegato con l’inverter di rete INV1 e con l’inverter locale INV2, e con questi può scambiare informazioni. Il caso più semplice à ̈ che scambi informazioni su un bus ethernet.

Inoltre il controllore CNT à ̈ collegato a tutte le coppie di morsetti I/O della FER ed anche della SAE. Su tali morsetti può effettuare misure in continua di corrente e tensione, e può trasmettere mediante “Onde Convogliate†i comandi necessari alla configurazione tanto della FER quanto del SAE. Nel caso ipotizzato (Pf1>Pc1) il controllore, secondo un possibile modo di funzionamento, provvede a ripartire una parte di Pf1 pari al fabbisogno Pc1 sull’uscita collegata all’inverter INV2. Oltre a ciò, il controllore provvede a combinare i collegamenti serie parallelo della FER in modo che sull’uscita collegata all’inverter INV2 si presenti un profilo corrente-tensione che ottimizzi le prestazioni degli elementi di conversione.

La rimanente potenza resa disponibile dalla FER (Pf1-Pc1) viene invece resa disponibile tutta sull’uscita collegata al SAE. In questo caso il controllore CNT si farà carico di configurare sia i moduli del SAE che quelli della FER in modo tale che il SAE possa lavorare con il massimo rendimento di accumulo. Ad esempio, se la potenza in eccesso fosse poca, potrebbe essere conveniente attivare sull’ingresso di carica del SAE solo una parte dei moduli della batteria stessa, di conseguenza risulterà necessario configurare anche la parte dei moduli della FER che producono l’energia in eccesso in modo da realizzare, nel collegamento FER-SAE, la caratteristica corrente-tensione appropriata per ottimizzare il rendimento di accumulo.

Nel caso in cui il sistema di accumulo fosse già allo stato massimo di carica, la potenza in eccesso può essere resa disponibile sull’uscita della FER collegata alla rete esterna tramite l’inverter INV1. Una scelta di questo tipo può essere anche effettuata se, ad esempio, la rete esterna richiedesse energia. Quindi il controllore CNT, anche sulla base delle informazioni disponibili sul fabbisogno interno e sulla richiesta della rete, può decidere di preferire cedere alla rete pubblica l’energia prodotta in eccesso piuttosto che accumularla.

E’ a questo punto chiaro come il controllore CNT può essere molto utile nel caso di diffusione di “Smart Grid†. Infatti tale controllore sarebbe in possesso di tutte le informazioni necessarie per ottimizzare al tempo stesso sia le ripartizioni che gli adattamenti necessari agli scambi di energia tra FER, SAE e carichi di diversa natura.

Non solo vengono gestiti in modo ottimale le quantità di energia scambiate nelle varie direzioni, ma anche vengono gestiti tutti gli adattamenti di corrente-tensione senza ricorrere ad apparati di conversione AC-DC e DC-AC non strettamente necessari. Infatti tutti questi adattamenti possono essere realizzati attraverso la manovra di interruttori e pertanto riducendo perdite ed inefficienze dovute alle conversioni.

Il caso tipico che l’arte nota oggi cerca di gestire introducendo tecniche di configurazione flessibile, à ̈ il caso di produzione derivata da impianti fotovoltaici in cui alcuni pannelli possono essere occasionalmente ombreggiati, e quindi la loro produzione può drasticamente calare rispetto agli altri pannelli non ombreggiati. Come si à ̈ già detto, questo caso viene normalmente gestito escludendo tutta la stringa in cui tali pannelli sono inseriti, comportando quindi comunque uno spreco di energia.

E’ già noto nella tecnica dotare i pannelli di sensori che rilevano condizioni anomale, come ombreggiamento o danneggiamento. Allora, in accordo con la presente invenzione, il controllore CNT può rilevare queste anomalie semplicemente con misure ai morsetti dei pannelli, e riconfigurare il FER in modo flessibile isolando i soli pannelli coinvolti e non le stringhe complete.

Nel seguito vengono descritti esempi di maggior dettaglio realizzativo del sistema oggetto dell’invenzione.

La figura 7 rappresenta un maggior dettaglio di un esempio di realizzazione del sistema di figura 6.

Il sistema di accumulo SAE può essere accoppiato direttamente a carichi in continua DLC1 tramite opportuno convertitore in continua DC/DC1, e/o indirettamente agli stessi o altri carichi in continua DLC2 tramite altro convertitore in continua DC/DC2. L’accoppiamento indiretto avviene tramite un commutatore dei flussi di energia CFE1, che riceve agli ingressi energia proveniente da FER e da SAE, e che, opportunamente controllato da CNT, fornisce energia elettrica agli inverter INV1, INV2 (fig. 6), e/o verso detto convertitore in continua DC/DC2. Gli inverter INV1, INV2 possono anche essere realizzati tramite un sistema di inverter INV (fig. 7) , seguito da un commutatore di flusso di energia elettrica verso carichi AC locali ACL, e/o verso la rete pubblica PN dalla quale può anche essere introdotta energia elettrica, come sopra descritto.

Il controller CNT riceve direttamente o tramite delle unità di controllo di commutazione informazioni sullo stato della FER e del SAE nonché sulle condizioni di erogazione tensionecorrente della FER. Più in particolare sopra à ̈ già stato detto che i pannelli componenti FER sono dotati di sensori delle condizioni di funzionamento e di erogazione di tensione e corrente: questi dati vengono forniti ad un modulo CIV che, opportunamente controllato da CNT, può determinare le condizioni di configurazione di FER attraverso un’unità di controllo CFER pure direttamente controllata da CNT.

A seconda delle necessità, l’energia proveniente dalla FER, tramite il modulo CIV, viene convogliata dal controller CFE1 sull’inverter INV, e/o sulla SAE, e/o direttamente sul carico in continua DCL2.

Il controllore CNT riceve anche informazioni sullo stato dei moduli di accumulo energia componenti di SAE tramite l’unità di controllo CSAE a cui sono connessi i sensori delle condizioni di funzionamento dei moduli di SAE. Anche queste informazioni vengono usate da CNT per determinare la ottimale configurazione di SAE.

Con riferimento alla figura 8, si evidenzia una possibile configurazione di SAE che comprende un determinato numero di unità o celle di accumulo (normalmente batterie BAT), organizzate in rami o stringhe R1, R2, R3. Ogni cella comprende un sensore di carica C ed interruttori, comandati dal modulo CSAE, che possono connettere le varie celle in serie ad altre del relativo ramo di appartenenza, oppure possono escluderle. Altri interruttori, comandati dal modulo CSAE, possono connettere i vari rami in serie o in parallelo o escluderli. I sensori di carica C forniscono le relative indicazioni sullo stato delle celle al modulo CSAE.

In base alla tensione e corrente disponibili al momento possono essere caricati uno o più celle del SAE.

Ciascun ramo del SAE ha un sensore di corrente SC collegato a un regolatore di corrente RC, a sua volta connesso in modo bidirezionale al commutatore dei flussi di energia CFE1, permettendo di controllare la corrente e, ad esempio, imporre che essa non superi un certo valore predefinito per evitare di danneggiare le celle del ramo durante la carica. Addirittura con la configurazione rappresentata in figura à ̈ possibile contemporaneamente caricare alcune stringhe di celle e drenare energia da altre, qualora queste fossero cariche per alimentare un carico locale in continua o anche un carico in alternata passando per l’inverter, conferendo grande flessibilità d’utilizzo al l’impianto.

In questo modo viene grandemente aumentata la probabilità che l’impianto eroghi energia agli utilizzatori anche in assenza parziale o totale di luce solare, diminuendo fortemente la dipendenza dalla rete di distribuzione elettrica. Le unità di controllo dei commutatori della FER e del SAE possono anche essere integrate in questi ultimi o nel controllore. Possono essere caricate o utilizzate anche più stringhe in parallelo in caso di produzione o consumo di correnti più elevate di quelle assorbibili o generabili da una singola stringa.

Il processo decisionale del controller CNT riguardo allo stato di funzionamento dell’impianto à ̈ illustrato con riferimento al diagramma di flusso della figura 9. Il controller acquisisce dall’unità CIV lo stato di generazione dell’energia da parte di FER (blocco 91). Se l’inverter INV non à ̈ attivabile (blocco 92), si trasferisce tutta l’energia drenabile dalla FER al SAE (blocco 96). In caso contrario si verifica se la rete à ̈ in grado di assorbire l’energia generata dalla FER e/o se conviene trasferirla al momento in quanto ha un prezzo di vendita favorevole, e/o i carichi locali non ne hanno bisogno e/o la batteria à ̈ completamente carica (blocco 93). Se la verifica dà esito positivo (blocco 94) si attiva il trasferimento dell’energia della FER alla rete (blocco 95) altrimenti la si fa convergere sul SAE (blocco 96).

Il diagramma di flusso della figura 9 può essere implementato in varie forme, tutte equivalenti. Può essere effettuato tramite ripetizione ciclica di un gruppo di istruzioni, tramite meccanismi di interrupt provenienti da centraline decentrate che ne verificano le condizioni decisorie, da meccanismi di polling (interrogazione periodiche) di apparati periferici da parte del controller, e così via. Può essere implementato in forma automatica, parzialmente o totalmente programmabile per esempio tramite timer, e/o anche manuale tramite comandi immessi da un operatore umano.

Il controller CNT à ̈ in grado di verificare lo stato di generazione dell’energia da parte della FER, la capacità assorbente della rete, quella di carica dei moduli di SAE, il consumo di corrente effettivo o preventivato dei carichi locali, e decidere anche in base a parametri programmati dall’operatore (massimizzazione dei profitti, massima continuità di alimentazione dei carichi locali, massimizzazione dello stato di carica della batteria, etc…) quale politica di trasferimento dell’energia attuare.

Nel caso di generica eterogeneità dei moduli, à ̈ necessario che il controllore conosca, modulo per modulo, la produzione istantanea. Ciò può essere garantito ad esempio dotando ciascun modulo della FER di un dispositivo che misura dati di produzione e li comunica al controllore, tramite sensori già disponibili sul mercato, e ad esempio installati sui moduli stessi.

Tuttavia à ̈ pure possibile che il controllore effettui misure autonomamente, senza l’inserimento di sensori sui moduli, ad esempio effettuando misure sulle coppie di morsetti di anodo e catodo dei moduli, comandando opportunamente gli interruttori su ogni modulo. Infatti il controllore può eseguire dei programmi che, a partire dalle misure disponibili e dalla conoscenza dell’impianto (specifiche dei moduli, numero di moduli, loro tipologia, orientamento, rendimenti attesi, ecc.), effettuino stime e valutazioni che consentono di applicare algoritmi di ricerca delle configurazioni di connessione ottima dei moduli, ed eventualmente anche comandare l’esclusione di alcuni di essi, per i vari motivi sopra descritti.

Il sistema di controllo della presente invenzione può essere vantaggiosamente realizzato tramite un programma per computer che comprende mezzi di codifica per la realizzazione di uno o più passi del metodo, quando questo programma à ̈ eseguito su di un computer. Pertanto si intende che l’ambito di protezione si estende a detto programma per computer ed inoltre a mezzi leggibili da computer che comprendono un messaggio registrato, detti mezzi leggibili da computer comprendendo mezzi di codifica di programma per la realizzazione di uno o più passi del metodo, quando detto programma à ̈ eseguito su di un computer.

Sono possibili varianti realizzative agli esempi non limitativi descritti, senza per altro uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione, comprendendo tutte le realizzazioni equivalenti per un tecnico del ramo.

Sono già stati descritti sopra i vantaggi derivanti dall’applicazione della presente invenzione.

In definitiva il sistema risolve quindi numerosi problemi legati all’integrazione di “isole†o “distretti energetici†di varie dimensioni in cui siano presenti FER, SAE e carichi locali, ottimizzando gli accoppiamenti ed i metodi di ripartizione dei flussi energetici. Il tutto con la sola aggiunta di alcuni semplici interruttori che sono tra le altre cose integrabili nei moduli esistenti sia delle FER che dei SAE, consentendo al controllore di gestire e risolvere tutti i problemi di accoppiamento e di partizione delle produzioni, evitando inutili trasformazioni DC/AC e AC/DC, ottimizzando i rendimenti di SAE e FER. Infatti la parte di gestione à ̈ demandata ai controllori che sarebbero comunque previsti per governare il “distretto energetico†o “isola†, come previsto dall’evoluzione delle reti elettriche secondo concetti di “Smart Grid†.

Dalla descrizione sopra riportata il tecnico del ramo à ̈ in grado di realizzare l’oggetto dell’invenzione senza introdurre ulteriori dettagli costruttivi.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di generazione e utilizzo (per accumulo ed erogazione) di energia elettrica prodotta da fonti di energia elettrica in corrente continua modulari, comprendente: - un sistema di moduli interconnessi per la produzione di energia elettrica in corrente continua, detto sistema di moduli interconnessi essendo posizionato a monte di uno o più sistemi di conversione DC/AC; - un sistema di elementi interconnessi per l’accumulo ed erogazione di energia elettrica prodotta da detti moduli di produzione di energia elettrica, detto sistema di elementi interconnessi essendo posizionato a monte di detti uno o più sistemi di conversione DC/AC; - almeno un’unità di controllo elettronico, atta a configurare in modo variabile le interconnessioni tra detti moduli e le interconnessioni tra detti elementi in modo tale che almeno alcuni di detti moduli interconnessi possano fornire energia elettrica direttamente ad almeno alcuni di detti elementi per accumulo ed erogazione, e/o a detti uno o più sistemi di conversione DC/AC, e che almeno alcuni di detti elementi possano erogare energia elettrica direttamente a detti uno o più sistemi di conversione DC/AC.
2. 2. Sistema come nella rivendicazione 1, in cui detta almeno un’unità di controllo elettronico à ̈ inoltre configurata in modo tale che detto sistema di elementi interconnessi eroghi energia elettrica direttamente a sistemi di utilizzazione di energia elettrica in continua, eventualmente tramite conversione DC/DC.
3. 3. Sistema come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta almeno un’unità di controllo elettronico à ̈ configurata in modo da determinare tensione e corrente alle uscite di detto sistema di moduli interconnessi e alle uscite ed ingressi di detto sistema di elementi interconnessi, determinando le configurazioni di interconnessione serie e/o parallelo di detti moduli e detti elementi.
4. 4. Sistema come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto sistema di moduli interconnessi per la produzione di energia elettrica comprende: - due o più di detti moduli, ogni modulo essendo dotato di un morsetto di anodo e di un morsetto di catodo; - almeno una prima linea elettrica connessa a un morsetto di anodo e un morsetto di catodo del sistema; - primi mezzi interruttori elettrici, almeno uno in corrispondenza di ognuno di detti moduli, detti primi mezzi interruttori elettrici essendo configurati in modo da connettere detti morsetti di anodo e/o catodo di un modulo con morsetti di anodo e/o di catodo di un altro modulo, oppure a detta prima linea elettrica, oppure atti ad escludere uno o più moduli dal sistema, in base a comandi provenienti da detta almeno un’unità di controllo elettronico.
5. 5. Sistema come nella rivendicazione 4, in cui detto sistema di moduli interconnessi per la produzione di energia elettrica comprende due o più prime stringhe, ogni stringa comprendente una di dette prime linee elettriche, detta almeno un’unità di controllo elettronico comprendente mezzi per determinare collegamenti parallelo tra dette prime stringhe, oppure per frazionare gruppi di prime stringhe in parallelo.
6. 6. Sistema come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto sistema di elementi interconnessi per l’accumulo ed erogazione di energia elettrica comprende: - due o più di detti elementi, ogni elemento essendo dotato di un morsetto di anodo e di un morsetto di catodo; - almeno una seconda linea elettrica connessa a un morsetto di anodo e un morsetto di catodo del sistema; - secondi mezzi interruttori elettrici, almeno uno in corrispondenza di ognuno di detti elementi, detti secondi mezzi interruttori elettrici essendo configurati in modo da connettere detti morsetti di anodo e/o catodo di un elemento con morsetti di anodo e/o di catodo di un altro elemento, oppure a detta seconda linea elettrica, oppure atti ad escludere uno o più elementi dal sistema, in base a comandi provenienti da detta almeno un’unità di controllo elettronico.
7. 7. Sistema come nella rivendicazione 6, in cui detto sistema di elementi interconnessi per l’accumulo ed erogazione di energia elettrica comprende due o più seconde stringhe, ogni seconda stringa comprendente una di dette seconde linee elettriche, detta almeno un’unità di controllo elettronico comprendente mezzi per determinare collegamenti parallelo tra dette seconde stringhe, oppure per frazionare gruppi di seconde stringhe in parallelo.
8. 8. Metodo per la gestione di detto sistema come in una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 7, comprendente le fasi di: - interconnessione di ognuno di detti moduli per la produzione di energia elettrica con altri moduli, e/o esclusione di uno o più di detti moduli, tramite azionamento di detti primi mezzi interruttori, per mezzo di detta almeno un’unità di controllo elettronico; - interconnessione di ognuno di detti elementi per l’accumulo ed erogazione di energia elettrica con altri elementi, e/o esclusione di uno o più di detti elementi, tramite azionamento di detti secondi mezzi interruttori, per mezzo di detta almeno un’unità di controllo elettronico.
9. 9. Metodo per la gestione di detto sistema come nella rivendicazione 8, comprendente la fase di interconnessione di dette prime e/o seconde stringhe in parallelo e/o sezionamento di gruppi di dette prime e/o seconde stringhe, tramite azionamento di detti primi e/o secondi mezzi interruttori su dette almeno una prima e/o seconda linea elettrica, per mezzo di detta almeno un’unità di controllo elettronico.