PT105189B

PT105189B - Módulo autónomo de produção, regulação, armazenamento, ondulação e distribuição de energia eléctrica fotovoltaica e método de controlo e gestão das comunicações entre módulos quando inseridos numa rede

Info

Publication number: PT105189B
Application number: PT105189A
Authority: PT
Inventors: Afonso Domingos Brito Santos
Original assignee: Afonso Domingos Brito Santos
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2014-12-12
Also published as: PT105189A; EP2416464A2; EP2416464A3

Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO REFERE-SE A UM SISTEMA MODULAR DE PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉCTRICA FOTO VOLTAICA E À SUA DISTRIBUIÇÃO, A UMA OU MAIS INSTALAÇÕES HABITACIONAIS OU OUTRAS, GARANTINDO AUTONOMIA DE FORNECIMENTO MESMO EM PERÍODOS EM QUE NÃO É POSSÍVEL A SUA PRODUÇÃO ATRAVÉS DESTE MÉTODO (NOITE OU COM CONDIÇÕES CLIMATÉRICAS ADVERSAS), ATRAVÉS DE SISTEMAS INDIVIDUAIS OU COLECTIVOS.

Description

DESCRIÇÃO

MÓDULO AUTÓNOMO DE PRODUÇÃO, REGULAÇÃO, ARMAZENAMENTO, ONDULAÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉCTRICA FOTOVOLTAICA E MÉTODO DE CONTROLO E GESTÃO DAS COMUNICAÇÕES ENTRE MÓDULOS QUANDO INSERIDOS NUMA REDE

Âmbito da Invenção

A presente invenção refere-se a um módulo de produção de energia eléctrica fotovoltaica, a sua regulação, ao seu armazenamento, à sua ondulação, a sua distribuição, e ao método de controlo e gestão das comunicações entre módulos, dado que cada módulo, ao estar equipado com um sistema de comunicações, pode comunicar com os outros módulos pertencentes à mesma rede.

Antecedentes da Invenção

Os actuais sistemas de produção de energia através de células fotovoltaicas têm sido desenvolvidos, ou através de sistemas dedicados a uma habitação ou através de elevadas superfícies para instalação de painéis fotovoltaicos, com o objectivo de disponibilizar a energia produzida nas redes de distribuição públicas, para venda pelos distribuidores de energia.

No caso dos sistemas dedicados a uma habitação, e para habitações com construção mais frágil do ponto de vista estrutural, a colocação de painéis fotovoltaicos pode tornar-se uma tarefa quase impossível, sendo uma opção deste sistema a colocação dos referidos painéis em estruturas isoladas com custos operacionais apreciáveis. Numa situação de pequenos agregados populacionais isolados, a tarefa torna-se ainda mais complicada, não só devido ao maior investimento necessário, mas também pelo facto de não haver possibilidade de partilha da energia de uma forma racional em função dos consumos dos utilizadores.

No caso dos sistemas aplicados em elevadas superfícies com o objectivo de disponibilizar a energia produzida para as redes de distribuição pública, a sua utilização nos locais mais remotos é limitada, dado que o custo de construção da infra-estrutura versus retorno do investimento inviabiliza totalmente esta solução.

Em países com vastas áreas geográficas, com acessos difíceis condicionados, e com condições meteorológicas adversas variáveis ao longo do ano, a distribuição da energia eléctrica torna-se num objectivo difícil de atingir, vedando a sua utilização a uma grande parte da população mundial que deste modo não pode usufruir de um bem essencial à vida e ao seu bem-estar.

Vantagens da Invenção objectivo da presente invenção consiste na produção de energia fotovoltaica, na sua regulação, no seu armazenamento, na sua ondulação, na sua transformação e na sua distribuição, a uma ou mais instalações habitacionais ou outras, garantindo autonomia de fornecimento mesmo em períodos em que não é possível a sua produção através deste método (noite ou com condições climatéricas adversas), em que cada módulo ao estar equipado com um sistema de comunicações, pode comunicar com os outros que estão integrados na mesma rede, permitindo que, em cada momento, o sistema seja conhecedor das necessidades existentes, podendo assim efectuar uma gestão eficiente da distribuição de energia em função da capacidade de carga acumulada nas baterias de cada módulo. Desta forma, é possível aproveitar a capacidade de produção na sua totalidade, armazenando a energia produzida que não é necessária para consumo imediato, ou recorrendo à energia armazenada, quando as necessidades de potência eléctrica assim o exijam.

Sumário da Invenção

É assim um objectivo da presente invenção, a implementação do módulo de produção de energia eléctrica fotovoltaica, daqui em diante designado (MAPEF), à sua regulação, ao seu armazenamento, à sua ondulação, à sua distribuição, e do método de controlo e gestão das comunicações entre eles, dotados de uma estrutura metálica de suporte com fixação ao solo, sobre a qual assentam os painéis fotovoltaicos, e que integram um armário técnico, no qual são alojados todos os equipamentos necessários para regular, armazenar, ondular e elevar a tensão, e distribuir a energia eléctrica através de sistemas individuais ou colectivos, e o sistema de comunicações.

Cada MAPEF, ao ter a capacidade de comunicar com os outros MAPEFs existentes na mesma rede, permite a existência de uma regulação inteligente de cargas na rede de distribuição. Desta forma, será possível manter todos os receptores alimentados durante o maior período de tempo possível, dependendo unicamente do consumo individual e da capacidade de energia armazenada nas baterias de cada MAPEF.

Estado da Técnica

São conhecidas da técnica, diversas invenções que divulgam a utilização de painéis fotovoltaicos, inversores e baterias de armazenamento.

Referimo-nos aos documentos WO 2008/124144, WO 2005/027300, US 6311137, por serem aqueles que contêm estado da técnica mais próximo da matéria do presente pedido de patente, mas que apresentam diferenças consideráveis.

O documento WO 2008/124144 refere-se a um sistema modular assente num principio de utilização de painéis fotovoltaicos com inversores incorporados, que permitem a respectiva associação de modo a aumentar a potência disponível numa instalação. Adicionalmente esta invenção prevê que a estas unidades sejam incorporadas baterias de armazenamento. Um sistema de comunicações para gerir a entrada/saída de painéis fotovoltaicos está indicado, em função da impedância da rede. Resumidamente, trata-se de um painel fotovoltaico composto, compreendendo a função geradora do painel, o inversor CC-CA, pequenas baterias de armazenamento e um circuito de controlo para ligar/desligar o painel fotovoltaico respectivo tudo integrado no mesmo invólucro.

O módulo da presente invenção, em que o painel fotovoltaico utilizado é de comercialização corrente, não incorpora no mesmo qualquer inversor ou dispositivo de comunicações. Além da diferença já referida, aquele sistema difere do da presente invenção porque entre outras, faz a gestão da potência disponível em CA em função da entrada/saída em serviço de painéis fotovoltaicos (CC), é um sistema que não está desenvolvido para utilização em rede, ao contrário do módulo da presente invenção que efectua a gestão da potência na rede baseado nas cargas disponíveis nas baterias de armazenamento de cada módulo, permitindo a gestão eficiente das cargas a disponibilizar na rede de distribuição. Esta diferença é evidente pelo facto da invenção WO 2008/124144 utilizar o inversor incorporado em cada painel como elemento mestre para sincronizar a entrada/saida de painéis fotovoltaicos, enquanto o módulo da presente invenção não utiliza o respectivo inversor para controlar a rede. Esta função é desempenhada por software integrado na gestão e controlo das comunicações que controlam os inversores de cada módulo, em função das cargas das baterias de armazenamento, existência de defeitos na rede, etc. Para isso, cada módulo da presente invenção possui informação do estado da rede, entendendo-se rede como um conjunto de módulos interligados com diversas cargas, enquanto o controlador da invenção WO 2008/124144 utiliza a produção de energia diária, semanal, mensal e da potência a ser produzida para comandar a entrada/saida de funcionamento dos painéis fotovoltaicos. Por fim, e porque o módulo da presente invenção é vocacionado para funcionamento como unidade para interligar com outras em redes não ligadas à rede, cada uma destas unidades possui o controlo de tensão/corrente da rede de distribuição, bem como transformação para as tensões de utilização normais das redes de distribuição públicas, e protecções nas respectivas saldas, ao contrário da invenção WO 2008/124144.

O documento WO 2005/027300 refere-se a uma invenção que permite optimizar e maximizar a segurança na interligação entre painéis fotovoltaicos, bem como aumentar a eficiência de um conjunto de painéis fotovoltaicos interligados entre si. Para isso, utiliza duas redes de potência (uma em corrente continua - CC e outra em corrente alterna - CA) em que ao nivel da rede de CC, é previsto um aumento da tensão com vista à diminuição das perdas de energia. Esta invenção, ao contrário da do presente pedido, não prevê a utilização de baterias de armazenamento, para disponibilizar potência numa rede de distribuição. Apesar de estarem presentes os conceitos de inversor, bus de comunicação e de painel fotovoltaico, esta invenção, prevê que a comunicação exista para efeitos de detecção de defeitos nos painéis fotovoltaicos, bem como o respectivo comando de entrada/saida dos painéis, a qual transmite a um inversor mestre, os resultados para que este adopte determinados procedimentos. Em função de um maior ou menor número de painéis fotovoltaicos ligados na rede, assim haverá maior ou menor energia na rede CA. Não há assim qualquer gestão de cargas armazenadas, nem o sistema é desenvolvido para funcionamento em rede, sendo adaptado para instalações que funcionem isoladas, que não é o âmbito da invenção deste pedido de patente.

Quanto à patente US 6311137, as diferenças são muito acentuadas, já que se trata de um sistema que permite obter a potência gerada num sistema fotovoltaico, sendo este valor obtido pelos diversos inversores existentes na rede, para posterior soma e apresentação em mostrador digital, somente com propósitos informativo, não desencadeando qualquer processo posterior de comando.

Descrição detalhada da Invenção

Cada MAPEF (1) é caracterizado por ser um equipamento de produção, armazenamento e distribuição de energia eléctrica em baixa tensão (400 VAC (trifásico) , 230 VAC ou 110 VAC (monofásico), frequência 50Hz/60Hz), a partir da energia solar, com capacidade de comunicar com os outros MAPEFs (1) existentes na mesma rede.

Cada MAPEF (1), representado no esquema de funcionamento da figura 6, é constituído por seis blocos, distintos entre si, associados numa única estrutura metálica, a saber:

Gerador (painéis fotovoltaicos) (8),

Regulador de

Carga (Conversor CC/CC) (12), Baterias de

Armazenamento

Inversor (Conversor CC/CA) (14), Transformador (29) e um

Módulo de Distribuição constituído pelo controlo inversor (15), pelas comunicações (16) MAPEFs (1) estarem instalados controlo de tensão/corrente disponíveis no caso de os num sistema em rede, pelo (17) e pela rede de distribuição (18) . A função geradora é desempenhada pelos painéis fotovoltaicos (8), dispostos em estrutura adequada; o regulador de carga (12) assegura o correcto carregamento das baterias de armazenamento (13); as baterias de armazenamento (13) armazenam a energia eléctrica produzida pelo elemento gerador (8); o inversor (14) transforma a energia acumulada nas baterias de armazenamento (13) (corrente contínua) em energia eléctrica (corrente alterna), cuja tensão será elevada pelo transformador (29), a ser utilizada pelos receptores de uso diário (electrodomésticos, iluminação, etc.); a distribuição (18) assegura que os circuitos de alimentação em Baixa Tensão (corrente alterna) estejam devidamente protegidos de modo a prevenir acidentes que possam pôr em causa a segurança de pessoas e equipamentos.

A parte superior do MAPEF (1) é constituída pelo conjunto de painéis fotovoltaicos (8) dispostos lado a lado e ligados de modo a que a tensão gerada aos seus terminais seja a adequada para ser possível o carregamento das baterias de armazenamento (13) . Esta estrutura de painéis fotovoltaicos (8) está dimensionada de modo a suportar os esforços resultantes da acção do vento para uma superfície exposta até 20 m². O ângulo de inclinação dos colectores (painéis fotovoltaicos) (8), que é função da latitude geográfica da instalação, é regulado no momento da instalação, através de sistema de réguas com marcação dos ângulos de inclinação.

A parte inferior como evidenciado nas figuras 7, 8, 10, 11, funciona como um armário técnico (10), cujo interior é compartimentado em três áreas distintas, a saber:

a) A área frontal, representada nas figuras 7 e 8, e cujo esquema está representada na figura 9, é onde se localiza o painel técnico, que integra os equipamentos de alimentação dos dispositivos electrónicos (19), de comunicação (16), de ondulação (inversor) (14), de regulação de carga (12), bem como o dispositivo de corte e isolamento (21) da rede de corrente continua, e os dispositivos de corte (20) da rede de corrente alterna.

b) A área posterior, representada nas figuras 10 e 11, e cujo esquema está representada na figura 12, é onde se localizam os equipamentos que elevam a tensão eléctrica da energia convertida pelo inversor (14), em tensão utilizável pelos equipamentos domésticos ou outros, ou seja, o transformador (29), e os dispositivos de corte e protecção das canalizações de saída de energia, isto é, o quadro eléctrico (23) com a protecção por interruptor diferencial (24) e por disjuntores (25) de todos os circuitos eléctricos de distribuição, e o acesso aos contadores de energia, representados no esquema da figura 12.

c) A área lateral destina-se às tomadas de energia (não representadas), caso a ligação aos consumidores seja efectuada com recurso a estas.

sistema de produção e armazenamento base está desenvolvido para uma potência de 6 kWh, constante ao longo do ano, pelo que para este nível de consumo optou-se pela utilização de baterias com capacidade nominal adequada para uma tensão de premissas ligação dos painéis fotovoltaicos deverá ser de modo que aos terminais destes, a tensão seja superior a

V, para permitir o recarregamento das mesmas.

No entanto , a potência poderá ser modificada alterando a capacidade do gerador (painéis fotovoltaicos) , garantindose que a tensão máxima disponível não é inferior a 48 V.

Resulta assim que serão instalados dois painéis em série (cerca de 25 V CC por painel nas condições de temperatura nominal de funcionamento da célula do módulo), o que perfaz no total 50 V, no Ponto de Potência Máxima.

Para garantir a corrente de carga necessária para o carregamento do conjunto de baterias, os fabricantes de painéis fotovoltaicos indicam o valor da corrente produzida nas condições de referência CTS que ocorrem muito raramente, pelo que, para o cálculo global do tipo de painéis utilizados são relacionadas com as condições de temperatura nominal de funcionamento da célula do módulo.

O dimensionamento global do número de painéis fotovoltaicos a instalar na estrutura será variável em função das caracteristicas de consumo que se pretendam obter, tendo em consideração a limitação física da área de 20 m². Com este conhecimento, será possível obter o número de painéis em função da sua potência nominal.

Uma vez determinada a quantidade de painéis fotovoltaicos (8) colocados na estrutura superior, estes serão interligados entre si e ligados num barramento que possui díodos, cuja função é a de evitar que nos períodos nocturnos os painéis fotovoltaicos (8) se comportem como cargas que provocam o consumo de energia acumulada, funcionando assim como dispositivos de bloqueio. A este barramento será ligado o regulador de carga (12), cuja função será a de regular e comandar a carga das baterias de armazenamento (13) que irão acumular a energia produzida pelos painéis fotovoltaicos (8).

Para que a energia seja utilizável pelos potenciais consumidores, nomeadamente nos electrodomésticos e iluminação, será então necessário converter os sinais eléctricos acumulados em CC nas baterias de armazenamento

(13), em	sinais eléctricos CA, ajustando	este	para a
frequência	e o nível de tensão a que está ligada	a rede,
através de	inversores (14) e do transformador	(29) .
Após os sinais eléctricos serem convertidos em	AC,	ajustada

a frequência e o nível de tensão para utilização (400 VAC, 230 VAC ou 110 VAC), será possível proceder à sua distribuição.

Os tipos de painéis fotovoltaicos (8), reguladores de carga (12), baterias de armazenamento (13) e inversores (14), poderão ser alterados em função das cargas que se pretendam alimentar, da autonomia pretendida e das características da rede de distribuição.

O número de transformadores (29) pode variar entre um e três, dependendo do MAPEF (1) estar preparado para alimentar cargas monofásicas ou trifásicas.

Este sistema modular, permite que cada MAPEF (1) funcione de um modo individual, não partilhando cargas que não sejam alimentadas por si directamente (entendem-se como cargas alimentadas directamente, todas aquelas que estão protegidas pelo próprio sistema de distribuição, integrado no equipamento), ou em rede, partilhando cargas que não sejam alimentadas por si directamente.

Para este último sistema de funcionamento, para além dos seis blocos anteriormente descritos, existe um sétimo bloco, cujo princípio esquemático é representado na figura 14, e que é dedicado ao controlo do inversor (15), ao controlo da tensão/corrente (17), à comunicação (16) e resposta em função do estado da rede de distribuição (18) . Todos estes elementos integram o módulo inteligente que permite a partilha de cargas eléctricas entre MAPEFs (1).

fluxo da informação entre os diversos módulos é assegurado numa primeira fase pela comunicação entre os microcontroladores, cujo esquema é o indicado na figura 18.

microcontrolador 3 desempenha a função da gestão interna do módulo, já que entre outras tarefas, manterá a tabela interna de estados da rede actualizada, em função das informações recebidas da rede pelo microcontrolador 1. 0 microcontrolador 2 será responsável pela aquisição dos sinais da rede e do próprio módulo, e comandará o inversor.

Numa segunda fase simultânea com a primeira, as comunicações com a rede são efectuadas segundo um fluxo de informação, esquematizado nas figuras 19, 20 e 21.

controlo do inversor (15) é constituído por três estágios de funcionamento: Estágio de Potência, Estágio de Comando e Estágio de Comunicação.

Estágio de Potência é desenvolvido por uma estrutura baseada numa ponte completa de transístores IGBT, conduzida por dois drivers independentes para IGBTs sem circuitos de controlo complementar nem tempos mortos.

Para o Estágio de Comando, é utilizado um microcontrolador que comandará dois drivers independentes para IGBTs. 0 controlo será o resultante das medidas de tensão e corrente que serão tomadas à saída de cada MAPEF (1), bem como na rede de distribuição (18). As medidas de tensão e corrente serão tomadas por transdutores CA 27, cuja grandeza resultante será convertida por um conversor A/D (analógico/digital) de modo a ser interpretada pelo microcontrolador. Em função das leituras de estado quer dos MAPEFs (1) quer da rede de distribuição (18), assim será controlado o controlo do inversor (15), através dos drivers associados a cada transístor IGBT.

Para o Estágio de Comunicação (16), cujo princípio esquemático é representado na figura 14, e cujos diagramas de blocos dos esquema de controlo e gestão das comunicações entre MAPEFs (1) estão representados nas figuras 15, 16, 17 e 18, o sistema de comunicações previsto é um sistema baseado em microcontroladores, sendo que o controlo do inversor (15) possui um microcontrolador dedicado para o respectivo controlo, e o sistema que faz o interface entre o controlo do inversor (15) e a rede será igualmente assegurado por um outro microcontrolador de caracteristicas diferentes daquele que é utilizado no controlo do inversor (15) . Esta comunicação série é interna dentro do mesmo

MAPEF (1), e é aplicável em funcionamento isolado e no funcionamento em rede. Adicionalmente e válido só para o funcionamento em rede, na comunicação entre MAPEFs (1) (exterior) é utilizado o sistema CANbus (26) (protocolo ECAN) para tempos de transmissão até 4ps (250 kbps), permitindo distâncias entre MAPEFs (1) até 250 m. É utilizado um sistema de tráfego elevado (elevado número de mensagens enviadas e recebidas nos MAPEFs (1), com elevado volume de informação.

A comunicação entre os diversos microcontroladores é a esquematizada na figura 18, e descrita nos parágrafos seguintes.

Cada MAPEF (1) possui dois sistemas de comunicação: um sistema do tipo série que utiliza o sistema de comunicações UART dos microcontroladores, que permitem o diálogo entre o microcontrolador que integra o comando do controlo do inversor (15) (μύ2) e um segundo microcontrolador que integra o interface de comunicações (μύΐ); um sistema de comunicação CANbus (26) entre os diversos MAPEFs (1), no qual é utilizado um microcontrolador que integra o interface de comunicações.

O objectivo do primeiro sistema de comunicações é o de permitir a comunicação dos valores das tensões e correntes nos barramentos CC (bateria fonte tensão/corrente) e CA (saída do inversor tensão/corrente) a fim de manter neste último uma tabela actualizada e de recepcionar no microcontrolador que integra o comando do inversor (14) as ordens de arranque e paragem que são geradas no microcontrolador do interface de comunicações. É de notar que existe ainda a possibilidade de bloquear a saída de PWM do microcontrolador que integra o controlo do inversor (15) através de um pino de inibição (denominado FAULT_A) através da protecção do estágio de potência. 0 microcontrolador que integra o comando do inversor (14) envia 4 bytes (cada um referente a uma grandeza num total de 256 valores possíveis) e recebe um byte (ordem de arranque, paragem, ou nulo) . A velocidade de transmissão série é de 19200 bps.

No segundo sistema de comunicações, a estratégia de comunicação segue a seguinte metodologia:

Um dos MAPEF (1) assume a tarefa de mestre (onde o termo mestre define o MAPEF que comanda o funcionamento de toda a rede, sendo todos os outros MAPEFs (1) que estejam activos denominados por escravo); o MAPEF (1) denominado de mestre é designado como sendo o primeiro da rede, podendo no entanto ser desclassificado a escravo temporariamente, caso não possua carga na bateria de salvaguarda ou tenha uma avaria; nesta situação, um dos escravo assumirá temporariamente a função mestre.

O princípio básico de atribuição da função mestre é dado pelo identificador que o operador configura numa fase inicial da configuração da rede.

O Identificador ou

ID é uma palavra com 5 bits, que resultam do valor lido pelo μ03 de um switch que é configurado. Cada ID tem de ser único, e o menor ID da rede permitirá que esse módulo seja assignado como mestre.

A classificação/desclassificação de módulos de mestre a escravo e vice-versa é uma constante da rede em exploração segundo o critério seguinte e com a gestão do processo de acordo com as figuras 19, 20 e 21.

Os critérios são os seguintes:

-Identificador do módulo ou ID (o menor ID dos módulos em exploração tem a função mestre)

- Módulo com menor tempo de funcionamento

- Módulo com mais carga nas baterias principais

-Módulo com estado ON ou IDLE

Em primeiro lugar, o MAPEF mestre inquere constantemente a rede, de modo a saber quais os MAPEFs (1) que estão activos, e em que estado; de seguida, é efectuada uma escolha entre os MAPEFs (1) que devem entrar ao serviço através da selecção de entre os que têm o melhor desempenho, e do mesmo modo, quais os que devem sair de serviço devido ao seu mau desempenho. Esta selecção está relacionada com as cargas disponíveis armazenadas, inexistência de avarias, etc.; em simultâneo, através dos transdutores de corrente que estão instalados na rede, avalia-se qual o valor da carga, de modo a escolher de entre os melhores, quais os que devem entrar em serviço, e do mesmo modo, quais os que de entre os piores, devem sair de serviço. Estas tarefas são efectuadas de um modo dinâmico; para implementar este sistema de forma descentralizada é gerada uma tabela comum, a qual é transmitida a todos os MAPEFs (1). 0 estado da rede guardada na tabela comum será armazenada em EEPROM (EI ectrically Erasable Programmable Read-Only Memory) dedicada e que existe em cada MAPEF (1), sendo um dos dispositivos que integra as comunicações (16).

A estrutura da informação guardada da EEPROM é identificada na figura 20.

Os primeiros 2 bits estão reservados à identificação do tipo de módulo (mestre ou escravo), os 5 bits seguintes guardam o valor da identificação do módulo, o número de 15 série do módulo respectivo é guardado no byte seguinte, os 5 bits seguintes mantêm actualizado o número de horas de funcionamento do módulo, sendo os 3 bits seguintes responsáveis por guardar o nível de carga das baterias principais, sendo que os 2 bits seguintes identificam qual o estado do módulo na rede (ON, OFF, IDLE ou UNKNOW), sendo os últimos bits reservados para que o módulo mestre mantenha sempre em vigilância todos os módulos.

Esta tabela guarda o estado da rede e de todos os MAPEFs (1) e é gerida pelo módulo mestre. Uma vez que existe um determinado tempo de transmissão entre MAPEFs (1), está previsto um tempo mínimo entre o arranque e a paragem dos inversores (15) de modo a evitar anomalias com transitórios. Este estágio de comunicação é controlado igualmente por um microcontrolador, utilizando o protocolo CANbus (26). Com este sistema, é interligado cada controlo do inversor (15) de cada MAPEF (1), entre si, através de cabo condutor com terminação de resistências conforme a figura 14. A porta de comunicação será do tipo RS232, que permitirá a interligação das comunicações dos MAPEFs (1). A regulação da potência eléctrica a disponibilizar na rede de distribuição resultará das medidas tomadas no estágio de comando e da respectiva transmissão para os MAPEFs (1) ligados em rede. Em funcionamento individual, não existe comunicação com protocolo CANbus (26).

débito de potência na rede de distribuição e a entrada automática de MAPEFs (1) em funcionamento dependerá das necessidades específicas de potência na rede, resultante dos consumos existentes e da disponibilidade de carga armazenada nas baterias de armazenamento (13) do MAPEF (1) para que este possa contribuir com potência. Reunidas estas condições, o módulo que vai entrar em serviço, efectuará auto-sincronismo para entrar na rede. Este sincronismo é executado através do envio de um sinal de relógio em tempo real - RTC, para que toda a rede esteja a operar segundo os mesmos padrões de tensão e frequência.

Para que todo o sistema de controlo, comando e comunicação se mantenha operacional, no caso das baterias de armazenamento (13) estarem descarregadas, cada MAPEF (1) possui um sistema autónomo de alimentação através de bateria de salvaguarda, a qual será mantida à carga nominal, graças à implementação de um carregador de bateria CC/CC que utilizará a carga das baterias de armazenamento (13) para carregar a bateria de salvaguarda (12V/7Ah). Todos os sistemas auxiliares são mantidos em funcionamento prioritariamente com a carga disponível nas baterias principais de armazenamento (13); a bateria de salvaguarda só entra em serviço quando estas estiverem descarregadas. Esta gestão é assegurada por um microcontrolador 3, associado a um dispositivo alfanumérico (LCD) para permitir a comunicação entre o operador e o sistema. As configurações globais do MAPEF (1) estão gravadas na EEPROM do microcontrolador 3. A entrada em serviço de um MAPEF (1) só é possível através de operadores qualificados, pelo que cada MAPEF (1) possui um teclado numérico para entrada do

código de	acesso	de modo a	activar o	respectivo
funcionamento	•
Descrição do	método	de controlo e	gestão das	comunicações
entre MAPEFs	quando	inseridos numa	rede

Após a inicialização do sistema, dá-se o arranque do mesmo através da introdução de um código e sua validação.

Caso o código introduzido esteja incorrecto, o MAPEF é colocado fora de serviço, sendo essa informação transmitida ao utilizador através de um visor alfanumérico LCD.

Caso o código introduzido esteja correcto e o sistema de alimentação de salvaguarda estiver operacional, é enviado um sinal de ENABLE para o microcontrolador 1, dando início ao ciclo de comunicações, tanto do MAPEF (1) mestre como dos MAPEF (1) escravos, com recurso às comunicações efectuadas através do protocolo CANbus (26).

Estas comunicações são efectuadas através de mensagens de 6 bytes, onde os 2 primeiros bytes identificam o ID do MAPEF (1) respectivo e os restantes 4 bytes a própria mensagem.

No início da colocação de um módulo na rede, este ainda não sabe se vai assumir a função mestre ou de escravo

Para isso, o primeiro passo da comunicação é verificar se e um módulo único na rede ou se já existem outros. Para isso, uma mensagem com a identificação PING MASTER, vai permitir saber se já existe algum módulo mestre na rede.

Havendo resposta positiva, e uma vez que o menor ID é mandatório para identificar o módulo mestre, o novo módulo que procura a sua autenticação na rede, solicita mensagem ao módulo mestre existente relativamente ao seu

ID.

módulo com menor ID assumirá a função de módulo mestre, podendo ou não manter-se o que estava na rede como módulo mestre

MAPEF (1) mestre envia uma mensagem com a identificação

ID do MAPEF (1) destino e uma mensagem sem conteúdo específico, com o objectivo de obter dados relativos ao estado de todos os

MAPEFs (1) escravos. Cada MAPEF (1) escravo ao receber a mensagem efectua uma interrupção no processamento em curso, enviando ao MAPEF (1) mestre uma mensagem com o seu estado actual, e ignora a mensagem anterior por esta não ter conteúdo para processamento.

MAPEF (1) mestre ao receber de cada MAPEF (1) escravo a informação sobre o seu estado constrói uma tabela interna de estados do sistema que servirá de base à gestão do sistema, enviando então para cada MAPEF (1) escravo a ordem de arranque/paragem, ordem essa que é enviada através do microcontrolador 2.

A tabela de estados é gerida pelo módulo mestre em funções. É actualizada numa base periódica, e reflecte o estado de todos os módulos da rede.

módulo mestre assumirá sempre essa função enquanto tiver capacidade de manter as comunicações da rede em permanente funcionamento. Esta função só será assegurada se houver energia na sua bateria de salvaguarda; caso tal não aconteça, o módulo mestre será desclassificado, e o módulo escravo com menor ID, e que não possua impedimento à entrada de funções como módulo mestre é promovido a esta função.

A hierarquia de exploração da rede será mantida.

Qualquer dos módulos possui quatro estados possíveis na rede:

- 0 estado ON indica que o módulo está na rede e a injectar potência na mesma. Na prática está em exploração normal.

- 0 estado OFF indica que o módulo está desligado da rede por questões operacionais (ou não tem carga nas baterias, ou tem uma avaria que o impede de debitar potência à rede), mas mantêm-se em comunicação como o módulo mestre.

- 0 estado IDLE indica que o módulo está pronto a entrar em exploração, bastando para isso, ordem do módulo mestre.

- 0 estado UNKNOW resulta de uma falha de comunicação com o módulo mestre pelo que o respectivo inversor será desligado por questões de segurança, sendo necessária a intervenção do operador para efectuar a respectiva reactivação.

Cada MAPEF (1) escravo ao receber a mensagem do MAPEF (1) mestre verifica se a mensagem lhe é destinada, ignorandoa se o não for; caso a mensagem lhe seja destinada, efectua uma interrupção no processamento em curso, e através da comunicação UART do microcontrolador 1 para o microcontrolador 2 executa a ordem recebida do MAPEF (1) mestre, enviando ao MAPEF (1) mestre o seu estado actual de funcionamento, indicando o estado do inversor (14) de ligado/desligado e o nível de cargas das baterias.

Estas informações serão transmitidas à rede CANbus de modo a poderem ser interpretadas pelos outros MAPEFs (1).

Se for necessário aumentar a potência na rede de distribuição o MAPEF (1) mestre, que detêm o estado da rede actualizado, envia um sinal de sincronismo para a rede (através de um sinal relógio em tempo real - RTC) , e uma ordem de arranque para um determinado MAPEF (1) escravo, que tenha condições de funcionamento. 0 processo inverso ocorrerá se for necessário diminuir a potência na rede de distribuição.

Em simultâneo, o microcontrolador 3 lê a tensão das baterias de armazenamento (13), convertendo o valor lido num sinal proporcional equivalente para ser interpretado pelo microcontrolador (1). Se o valor da leitura efectuada for inferior ao valor de referência, é enviada uma mensagem com esta informação para o visor alfanumérico LCD, e a rotina é terminada.

Se o valor da leitura efectuada for superior ao valor de referência, o microcontrolador 3 vai ler de seguida a tensão da bateria de salvaguarda. Se o valor da leitura efectuada for inferior ao valor de referência, é enviada uma mensagem com esta informação para o visor alfanumérico LCD, e a rotina é terminada.

Se o valor da leitura efectuada for superior ao valor de referência, é necessário proceder à leitura da temperatura ambiente através de uma entrada digital no microcontrolador 3 .

Caso não esteja presente um sensor de temperatura, é enviada uma mensagem com esta informação para o visor alfanumérico LCD, e a rotina é terminada. Se o sensor de temperatura estiver presente, é verificado se a temperatura é inferior à temperatura previamente determinada. Se a temperatura lida for superior à temperatura de referência previamente estabelecida, é accionada a ventilação forçada através de um controlo PWM de velocidade, permitindo que a temperatura desça quer nos transístores de potência IGBT, quer no sistema de controlo de carga da bateria de salvaguarda.

A dinâmica das comunicações entre módulos será sempre centralizada no módulo mestre segundo os princípios já enumerados, tendo em consideração o respectivo ID, estado actual, estado de carga das baterias e estado de presença.

Descrição do método de controlo e gestão da comunicação do MAPEFs quando em funcionamento autónomo

microcontrolador 2 lê a corrente/tensão CC no módulo MAPEF (1) e através da comunicação UART faz o envio destes elementos para o microcontrolador 1. Se a corrente aumentar mais do que um valor previamente determinado, o microcontrolador 1 através da comunicação UART para o microcontrolador 2 dá instruções para se desligar o inversor.

Se o valor da intensidade de corrente estiver dentro dos limites predefinidos, verifica se a tensão é inferior em 90% à tensão nominal, o microcontrolador 1 através da comunicação UART para o microcontrolador 2 dá instruções para desligar o inversor.

Descrição dos desenhos

A figura 1 representa uma primeira forma de realização de uma instalação com funcionamento isolado, em que o MAPEF (1) é ligado directamente através de uma tomada ou ao contador de energia ou às habitações (2), através de cabos (3) .

A figura 2 representa uma segunda forma de realização de uma instalação com funcionamento isolado, por rede de distribuição em baixa tensão, em que o MAPEF (1), através de um cabo subterrâneo (4), é ligado a uma rede de distribuição constituída por postes de electricidade em madeira ou aéreos e pelos ramais

A figura 3 que efectuam a ligação às representa uma terceira forma de realização de uma instalação com ligação em rede, em que diversos MAPEFs (1), ligados por cabos subterrâneos (4), alimentam uma rede de distribuição constituída por postes de electricidade em madeira ou betão (5), cabos aéreos (6) e pelos ramais que efectuam a ligação outras.

As figuras representam uma vista em perspectiva posterior uma vista em perspectiva frontal respectivamente, do MAPEF (1) constituído pelo conjunto de painéis fotovoltaicos (8) dispostos lado a lado e ligados entre si, pela estrutura pelo armário todo o conjunto de equipamentos necessários para regular, armazenar, ondular e distribuir a energia eléctrica.

A figura 6 representa o esquema de funcionamento do MAPEF

As figuras e 8 representam uma vista em perspectiva frontal do aberto, respectivamente, pelo qual se pode aceder ao painel técnico cujo esquema se pode observar na figura 9.

A figura 9 representa o esquema da distribuição dos equipamentos existentes no compartimento técnico do armário técnico.

As figuras 10 e 11 representam uma vista em perspectiva lateral posterior, nas posições de fechado e aberto, respectivamente do armário técnico (10), pelo qual se pode aceder ao transformador (29) e ao painel distribuição (22) não representado.

A figura 12 representa o esquema de implantação do transformador (29) e da distribuição dos dispositivos de corte de protecção, colocados na parte posterior do armário técnico (10), compostos pelo quadro eléctrico (23) com a protecção por interruptor diferencial (24) e disjuntores (25) .

A figura 13 representa o esquema básico dos dois sistemas de comunicações envolvidos em cada

MAPEF (1) aquando do funcionamento em rede, em que por um lado, existe uma comunicação interna entre o comando (não representado) do inversor microcontrolador que possui possibilidades construtivas de comunicação

CAN, e por outro, a comunicação entre

MAPEFs (1) que é efectuada com recurso ao protocolo CANbus

A figura 14 representa o esquema de funcionamento das comunicações no qual os transdutores de corrente monitorizam as cargas da que variam constantemente com a potência injectada na rede através do dispositivo tipo disjuntor (25) e com o consumo das cargas. Estes valores medidos são interpretados pelos microcontroladores integrados no comando do inversor (14).

Uma vez interpretado o valor de corrente na rede, o inversor (14) comunica com o módulo de comunicação (16) através de comunicação série. Quando houver necessidade de injectar mais potência na rede de distribuição (18), através do sistema de comunicação o MAPEF (1) comunica com os outros MAPEFs (1) da rede a informar que vai aumentar a potência caso tenha disponibilidade de energia armazenada nas baterias de armazenamento (13), ou caso contrário, sinaliza na rede aos outros MAPEFs (1) ligados em rede que não tem possibilidade de aumentar as cargas, devendo essa tarefa ser assumida por outros módulos ligados na rede. Para permitir a comunicação CANbus (26), é necessário recorrer a um dispositivo que faça a gestão do tráfego de informação ao longo da linha de comunicação. Para isso o sistema está dotado de um transmissor/receptor 28, que se ocupará dessa tarefa.

As figuras 15, 16 e 17 apresentam os diagramas dos esquemas de controlo e gestão das comunicações entre módulos.

As figuras 18, 19, 20 e 21 detalham o sistema de controlo e gestão das comunicações dentro do módulo e entre módulos colocados na mesma rede.

Apresentam-se de seguida os textos das figuras 15, 16 e 17 que não são legíveis nas mesmas.

Figura 15

15.1 E-CAN (MESTRE)

- ENVIO SINAL PARA REDE COM IDENTIFICAÇÃO DESTINO (ID) E MENSAGEM SEM CONTEÚDO ESPECÍFICO

OBJECTIVO: OBTER DADOS DO ESTADO DOS MÓDULOS

ESCRAVO

NOTA: Sinal a enviar sempre que existe reset do módulo MESTRE ¹⁵ · ² E-CAN (ESCRAVO 1)

- AO SER RECEBIDA A MENSAGEM É ACCIONADO UMA

INTERRUPÇÃO NO PROCESSAMENTO EM CURSO

3-0 ESCRAVO 1 ENVIA AO MÓDULO MESTRE UMA

MENSAGEM COM 0 SEU ESTADO ACTUAL

- A MENSAGEM RECEBIDA NO PASSO 2 É IGNORADA POR

NÃO CONTER CONTEÚDO PARA PROCESSAMENTO ¹⁵-³ E-CAN (ESCRAVO 2)

- AO SER RECEBIDA A MENSAGEM É ACCIONADO UMA

INTERRUPÇÃO NO PROCESSAMENTO EM CURSO

3-0 ESCRAVO 2 ENVIA AO MÓDULO MESTRE UMA

MENSAGEM COM 0 SEU ESTADO ACTUAL

- A MENSAGEM RECEBIDA NO PASSO 2 É IGNORADA POR

NÃO CONTER CONTEÚDO PARA PROCESSAMENTO ¹⁵ · ⁴ E-CAN (ESCRAVO n)

- AO SER RECEBIDA A MENSAGEM É ACCIONADO UMA

INTERRUPÇÃO NO PROCESSAMENTO EM CURSO

3-0 ESCRAVO n ENVIA AO MÓDULO MESTRE UMA MENSAGEM COM 0 SEU ESTADO ACTUAL

- A MENSAGEM RECEBIDA NO PASSO 2 É IGNORADA POR

NÃO CONTER CONTEÚDO PARA PROCESSAMENTO

Figura 16

16.1 E-CAN (MESTRE)

- RECEBE INFORMAÇÃO DE CADA MÓDULO ESCRAVO DO SEU ESTADO

- CONSTRUÇÃO DE TABELA INTERNA DE ESTADOS DO SISTEMA QUE SERVE DE BASE DE INFORMAÇÃO PARA GESTÃO DO SISTEMA

- ENVIO PARA CADA MÓDULO ESCRAVO ORDEM DE ARRANQUE/PARAGEM

16.2 E-CAN (ESCRAVO 1)

- RECEBE MENSAGEM DO MÓDULO MESTRE

- VERIFICAÇÃO DO ID DA MENSAGEM PARA IDENTIFICAR SE É DESTINADA AO MÓDULO EM CAUSA. SE NÃO FOR ID ADEQUADO, A MENSAGEM É IGNORADA

- SE ID CORRECTO É EFECTUADA INTERRUPÇÃO AO PROGRAMA EM CURSO PARA EXECUTAR A ORDEM DO MESTRE

- ENVIAR AO MESTRE ESTADO ACTUAL DO SEU FUNCIONAMENTO

16.3 E-CAN (ESCRAVO 2)

- RECEBE MENSAGEM DO MÓDULO MESTRE

- ENVIAR AO MESTRE ESTADO ACTUAL DO SEU FUNCIONAMENTO

16.4 E-CAN (ESCRAVO n)

- RECEBE MENSAGEM DO MÓDULO MESTRE

- ENVIAR AO MESTRE ESTADO ACTUAL DO SEU FUNCIONAMENTO

Figura 17

17.1 INICIALIZAÇÃO DO SISTEMA

17.2 INTRODUZIR CÓDIGO ARRANQUE SISTEMA

17.3 CÓDIGO CORRECTO?

17.4 MÓDULO FORA DE SERVIÇO

17.5 MENSAGEM LCD

17.6 FIM ROTINA

17.7 ENVIAR SINAL ENABLE PARA gCl

17.8 MÓDULO MESTRE - INÍCIO CICLO DE COMUNICAÇÕES

17.9 MÓDULO ESCRAVO - CICLO DE COMUNICAÇÕES

17.10 ID (2 byte) + MENSAGEM (4 byte)

17.11 GESTÃO E CONTROLO COMUNICAÇÕES

17.12 E-CAN

- RECEBE MENSAGEM DO MÓDULO MESTRE

- ENVIAR AO MESTRE ESTADO ACTUAL DO SEU FUNCIONAMENTO

17.13 E-CAN

- ENVIAR AO MESTRE ESTADO ACTUAL DO SEU FUNCIONAMENTO

PARÂMETROS A ENVIAR:

- ESTADO DO INVERSOR (ON/OFF)

- NÍVEL CARGAS DA BATERIA

17.14 COMUNICAÇÃO gCl (CAN bus)

17.15 ID ADEQUADO? gCl

17.16 IGNORAR MENSAGEM

17.17 COMUNICAÇÃO UART μΟΙ PARA gC2

17.18 MÓDULO EM FUNCIONAMENTO AUTÓNOMO

17.19 LEITURA V/I NAS BATERIAS ARMAZENAMENTO / REDE DISTRIBUIÇÃO gC2

17.20 CAPTURA ESTADO COMANDO DO INVERSOR gC2

17.21 COMUNICAÇÃO UART PARA μΟΙ

17.22 I > Iref?

17.23 U < Ο,9 Un?

17.24 COMUNICAÇÃO UART μΟΙ PARA μΟ2 - PARAR INVERSOR

17.25 COMUNICAÇÃO UART μΟΙ PARA pC2 - ARRANQUE INVERSOR

17.26 BATERIAS PRINCIPAIS

Ler Tensão ()

17.27 Entrada - AN2 μΟ3

17.28 ADEQUAÇÃO SINAL À RESOLUÇÃO DO μΟΙ

17.29 Ufonte > Uref?

17.30 BATERIA SALVAGUARDA

Ler Tensão ()

17.31 Entrada - ANO pC3

17.32 Ubk > Urefbk?

17.33 TEMPERATURA AMBIENTE

Ler Temperatura ()

17.34 Entrada Digital μΟ3

17.35 Sensor Temperatura Presente?

17.36 Temperatura > 25°C

17.37 CONTROLO CARGA BATERIA SALVAGUARDA

17.38 ACCIONAR VENTILAÇÃO FORÇADA

17.39 Controlo PWM velocidade

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método de controlo de gestão e controlo das comunicações do módulo autónomo de produção, regulação, armazenamento, ondulação e distribuição de energia eléctrica fotovoltaica, de aqui em diante designado MAPEF (1), caracterizado por incluir os seguintes passos:

a) Existir um processo iterativo até ser modificado o identificador (ID) do novo MAPEF;

b) Se o indentif icador (ID) não existir na rede é dada permissão de entrada de um novo MAPEF;

c) 0 Identificador (ID) do novo MAPEF é comparado com o identificador (ID) do módulo mestre existente;

d) Se o identificador (ID) for inferior, o novo MAPEF assume a função mestre;

e) Se o identificador (ID) for superior, o novo MAPEF assume a função escravo sendo actualizada a tabela de estados da rede para tipo 0;

f) Se o MAPEF estiver isolado na rede o módulo inserido mestre actualiza a tabela de estados da rede para tipo 1;

g) Se existirem módulos com o mesmo tempo de funcionamento o módulo que possui menor identificador (ID) é seleccionado e enviada mensagem para parar inversor, passando ao estado IDLE e é actualizada a tabela de estados;

h) Se não existirem módulos com o mesmo factor de carga, o módulo com maior carga nas baterias é seleccionado e é enviada mensagem para parar o inversor passando ao estado IDLE;

i) Se a corrente da rede lida, for inferior à corrente de referência e se a tensão for inferior a 10% da tensão nominal então o módulo mestre verifica a existência de módulos em estado IDLE, com maior carga armazenada e envia ordem para arranque de inversor, passando este módulo ao estado ON;

j) Se a tensão na rede não for inferior a 10% da tensão nominal, a actualização da tabela de estados é efectuada em regime iterativo cíclico.
2. Módulo autónomo de produção, regulação, armazenamento, ondulação e distribuição de energia eléctrica fotovoltaica, que implementa o método da reivindicação 1, que compreende numa única estrutura, uma estrutura de suporte (9) com fixação ao solo, painéis fotovoltaicos (8) e um armário técnico (10) que compreende o regulador de carga (12), pelo menos uma bateria de armazenamento (13), um inversor (14), o controlo inversor (15), sistema de comunicações (16), controlo tensão/corrente (17), pelo menos um transformador (29) e um quadro eléctrico (23) com protecção por interruptor diferencial (24) e por disjuntores (25) caracterizado por operar numa rede de distribuição de um conjunto de utilizadores e integrado numa rede composta por diversos módulos, e efectuar a regulação da carga através um sistema de comunicações (16) e um circuito lógico que efectua a gestão do método de controlo e gestão das comunicações entre módulos.
3. Módulo autónomo de produção, regulação, armazenamento, ondulação e distribuição de energia eléctrica fotovoltaica, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por funcionar individualmente, através de uma ligação por tomada ou ao contador das instalações dos utilizadores.
4. Módulo autónomo de produção, regulação, armazenamento, ondulação e distribuição de energia eléctrica fotovoltaica, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por funcionar individualmente, através de uma rede de baixa tensão.
5. Módulo autónomo de produção, regulação, armazenamento, ondulação e distribuição de energia eléctrica fotovoltaica, de acordo com as reivindicações 2 a 4, caracterizado por a superfície exposta dos painéis fotovoltaicos (8) ser inferior a 20 m².