PT2524397E - Sistema de gestão e de comando de painéis fotovoltaicos - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO "SISTEMA DE GESTÃO E DE COMANDO DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS" Âmbito técnico do invento 0 invento diz respeito à gestão de um parque de painéis fotovoltaicos.

Estado da técnica

Um painel fotovoltaico clássico comporta várias associações paralelo/série de células fotovoltaicas e desenvolve nos seus terminais uma tensão contínua de uma quarentena de volts em condições nominais de iluminação. Numa instalação mínima, liga-se em série uma dezena de painéis para produzir uma tensão contínua, da ordem de 400 V, que pode ser explorada com um bom rendimento por um inver-sor próprio para transferir para a rede a energia produzida .

Uma vantagem da ligação em série dos painéis é a de que a conectividade é reduzida a dois terminais de ligação por painel, mais um terminal de terra, o que facilita a instalação. Os painéis são assim equipados com caixas de junção normalizadas comportando os terminais necessários. 2 ΡΕ2524397

Todavia, a ligaçao em série pode apresentar um certo número de problemas. A corrente produzida por uma cadeia série de painéis de cadeia é determinada pelo elo mais fraco, quer dizer, pelo painel que gera a corrente mais baixa. Este painel pode ser simplesmente um painel que se encontra numa zona de sombra. Em tal situação, é necessário estabelecer um caminho que faça com que o painel seja posto em curto-circuito, de modo a que os painéis que estão a funcionar em condições normais possam debitar a sua corrente nominal. Para esse efeito, os painéis são equipados com os chamados díodos de "by-pass", ligados entre os terminais do painel, no sentido da corrente, que evidentemente é o sentido bloqueado dos díodos em relação à tensão gerada pelo painel. Quando um painel deixa de gerar tensão, a corrente da cadeia passa pelos seus díodos de "by-pass".

No entanto, quando o painel está parcialmente situado numa zona de sombra, ele irá produzir uma tensão inferior à sua tensão nominal, mas suficiente para evitar que os díodos de "by-pass" entrem em função.

Para gerir uma tal situação de maneira mais inteligente, foi previsto equipar cada painel fotovoltaico com um módulo de comando alimentado electricamente pelo painel, conforme se acha descrito nos pedidos de patente WO 01/80321 A, EP 2 141 746 A2 e mais particularmente na patente US 7602080. 3 ΡΕ2524397 A Figura 1 representa esquematicamente um módulo de comando local 10 (LCU) associado a um painel 12, tal como descrito na patente aqui anteriormente mencionada. O módulo de comando LCU está ligado ao painel 12 por dois terminais de ligação AI e A2, o terminal AI achando-se ligado ao " + " do painel, e o terminal A2 ao O módulo compreende dois terminais BI e B2 de ligação em série a módulos homólogos por um condutor único 13. Um díodo de "by-pass" Dl tem o seu cátodo ligado ao terminal BI e o seu ânodo ligado ao terminal B2. O sentido da corrente série no condutor 13 é assim do terminal B2 para o terminal BI. Um comutador S, comandado por um circuito 14, acha-se ligado entre os terminais Al e BI. Um condensador Cl acha-se ligado entre os terminais Al e A2. O circuito de comando 14 é alimentado pelo painel 12, entre os terminais Al e A2. Ele comunica com uma central comum situada ao nível do inversor por uma ligação COM. Esta ligação, para evitar multiplicar o número de ligações entre painéis, pode ser feita por corrente portadora no condutor de ligação série ou por comunicação sem fio. O objectivo deste sistema de gestão é o de comandar em modo intermitente o comutador S de um módulo associado a um painel fracamente iluminado para optimizar a transferência de energia.

Como aqui foi indicado, os módulos de comando LCU são alimentados pelo painel 12 associado. Se a produção de quadros eléctricos for insuficiente, o módulo não funciona. 4 ΡΕ2524397

Nesse caso, o módulo é incapaz de comunicar com a central de gestão, especialmente para indicar o estado de fora de serviço, permanente ou temporário, do painel. 0 sistema descrito na patente aqui anteriormente mencionada utiliza uns meios complexos de comunicação entre os módulos e a central de gestão. Cada módulo deve integrar um microcontrolador e um modera por corrente portadora ou de comunicação sem fio. Estes meios são muito caros para instalações de gama baixa nas quais, apesar disso, se pretende incorporar certas funções de base.

Um parque de painéis fotovoltaicos apresenta o risco de electrocussão durante a instalação. Com efeito, um painel iluminado, mesmo desligado, começa a produzir elec-tricidade. À medida que os painéis vão sendo ligados em série, a diferença de potencial presente entre os terminais extremos dos painéis montados vai aumentando, indo essa diferença de potencial atingir um valor da ordem de 400 V no momento em que é necessário ligar o último painel.

Nos parques actuais é difícil determinar a localização de um corte acidental do condutor de ligação série. Com efeito, o corte do condutor série anula a corrente neste último. A anulação da corrente é vista por todos os módulos dos painéis ao mesmo tempo, de modo que um módulo, mesmo dotado de inteligência, não é capaz de determinar que o corte teve lugar ao seu nível para o poder assinalar. 5 ΡΕ2524397

Resumo do invento 0 invento diz respeito a um módulo de comando local de um painel fotovoltaico de acordo com a reivindicação 1.

Assim, pode ser desejável que um módulo de comando local de um painel fotovoltaico possa ser alimentado electricamente, mesmo que o painel não produza electricida-de, e isto sem a utilização de outras ligações sem ser o condutor de ligação série dos painéis.

Para satisfazer esta necessidade, é previsto um módulo de comando local de um painel fotovoltaico que compreende um primeiro e um segundo terminais de ligação em série a módulos homólogos por um condutor único, e uns meios próprios para alimentar o módulo com electricidade a partir da corrente eléctrica que circula no condutor único.

Um modo de realização de central de gestão de um conjunto de módulos deste tipo compreende um sensor próprio para medir a corrente que circula no condutor único e uns meios próprios para injectar no condutor único uma corrente suficiente para alimentar módulos quando a corrente medida é inferior a um limiar.

Por outro lado pode-se desejar que o módulo seja portador de uma inteligência mínima, em especial para comandar um dispositivo de segurança que limite o risco de 6 ΡΕ2524397 electrocussão, sem que para isso seja necessário proporcionar a existência de meios de comunicação complexos.

Para satisfazer esta necessidade, é previsto um módulo de comando local de um painel fotovoltaico que compreende: um primeiro e um segundo terminais de ligação em série a módulos homólogos por um condutor único; um primeiro terminal de ligação do painel fotovoltaico, ligado ao primeiro terminal de ligação em série; um comutador ligado entre o segundo terminal de ligação em série e um segundo terminal de ligação do painel; um díodo ligado entre o primeiro e o segundo terminais de ligação em série; um conversor próprio para alimentar o módulo a partir da tensão desenvolvida pelo painel de entre o primeiro e o segundo terminais de ligação do painel; um sensor próprio para medir a corrente que circula no condutor único; e uns meios próprios para fechar o comutador quando a corrente que circula no condutor único ultrapassa um limiar.

Um modo de realização de central de gestão de um conjunto de módulos deste tipo compreende uns meios próprios para determinar uma colocação sob tensão do conjunto de módulos; e uns meios próprios para injectar no condutor único uma corrente superior ao referido limiar quando é determinada a colocação sob tensão, do que resulta o fecho dos comutadores dos módulos associados aos painéis que fornecem electricidade.

Finalmente, deseja-se poder determinar de maneira 7 ΡΕ2524397 simples a localização de um corte do condutor de ligação série dos painéis.

Para satisfazer esta necessidade, é previsto um módulo de comando local de um painel fotovoltaico que compreende: um primeiro e um segundo terminais de ligação em série a módulos homólogos por um condutor único; um elemento díodo que permite a circulação de corrente entre o primeiro e o segundo terminais de ligação em série quando o painel fotovoltaico não produz electricidade; um terminal de ligação à terra; e uma fonte de corrente constante ligada entre o terminal de ligação à terra e o condutor único.

Um modo de realização de central de gestão de um conjunto de módulos deste tipo compreende: um primeiro e um segundo terminais de entrada, de ligação às extremidades do condutor único, um dos terminais de entrada achando-se ligado à terra; um sensor próprio para medir a corrente que circula no condutor único; e uns meios próprios para, a partir da corrente medida, localizar o módulo ao nível do qual se encontra localizado o corte. A central pode implementar um processo que compreende as seguintes etapas: detectar o corte através do facto de que a corrente no condutor único cai para um valor residual inferior ou igual à soma das correntes das fontes de corrente constante dos módulos; e determinar a posição hierárquica do módulo ao nível do qual se situa o corte por meio da divisão do valor residual da corrente pelo valor 8 ΡΕ2524397 das fontes de corrente constante.

Descrição sumária dos desenhos

Outras vantagens e características tornar-se-ão mais evidentes através da leitura da descrição que irá ser apresentada a seguir de modos particulares de realização dados a titulo de exemplos não limitativos e ilustrados com a ajuda dos desenhos anexos, nos quais: a Figura 1, aqui anteriormente descrita, representa um módulo de comando local de painel de um sistema de gestão clássico de um parque de painéis fotovoltaicos; - a Figura 2 representa um modo de realização de módulo de comando local de painel que pode ser alimentado em electricidade independentemente da produção eléctrica do painel; - as Figuras 3a e 3b representam dois modos de funcionamento do módulo da Figura 2 quando o painel produz electricidade; - as Figuras 4a e 4b representam dois modos de funcionamento do módulo da Figura 2 quando o painel não produz electricidade; a Figura 5 representa um modo de realização de sistema de localização de corte do condutor de ligação em 9 ΡΕ2524397 série dos painéis e de uma central de gestão adaptada; a Figura 6 representa um modo de realização de módulo de comando local de painel que incorpora meios de comunicação simples, em especial para comandar um dispositivo de segurança que limita os riscos de electro-cussão; a Figura 7 representa uma variante do módulo da Figura 2; a Figura 8 representa uma outra variante do módulo da Figura 7; e as Figuras 9a e 9b representam dois modos de funcionamento da variante da Figura 8.

Descrição dos modos preferidos de realização do invento A Figura 2 representa esquematicamente um modo de realização de módulo de comando local LCU de um painel fotovoltaico 12, que não depende da produção de electrici-dade do painel para ser alimentado. 0 módulo é alimentado a partir da corrente série que circula no condutor 13 de ligação em série dos painéis. 0 módulo, destinado a ser integrado numa caixa de junção normalizada, comporta os mesmos terminais Al, A2, BI e B2 que o módulo da Figura 1. 0 terminal Al de ligação do 10 ΡΕ2524397 painel é ligado ao terminal BI de ligação em série. O comutador S, sob a forma de um transístor MOS de canal N, a título de exemplo, está ligado entre o terminal A2 de ligação do painel e o terminal B2 de ligação em série. Em vez de se encontrar um único díodo entre os terminais BI e B2, temos uma pilha de díodos Dn que formam um elemento díodo cujo limiar de condução é superior ao de um díodo. Os cátodos da pilha de díodos Dn acham-se situados do lado do terminal BI. Um díodo DO está ligado pelo seu cátodo ao terminal Al, e pelo seu ânodo ao terminal A2. Este díodo DO tem de preferência um baixo limiar de condução, e pode por isso ser um díodo Schottky. A grelha do transístor S é comandada por um circuito 14 que é alimentado entre o potencial fornecido por um conversor 16 e o terminal A2. A tensão de alimentação Vin do conversor 16 é tomada nos terminais do transístor S. Assim, a tensão Vin nos terminais do transístor S é particularmente baixa quando o transístor S está fechado. O transístor S é escolhido com uma resistência no estado de condução (Rdson) suficientemente elevada para que a tensão nos seus terminais, produzida pela corrente que circula através do mesmo, possa alimentar o conversor 16. Em seguida ver-se-á que é possível alimentar o conversor 16 em todos os modos de funcionamento do módulo. O conversor 16 é de preferência um elemento de tensão pulsada. No mercado existem elevadores de tensão que podem produzir em regime estacionário uma tensão de alimen- 11 ΡΕ2524397 tação suficiente a partir de menos de 100 mV, tal como o circuito L6920 comercializado pela firma STMicroelectro-nics. No entanto, este circuito necessita de uma tensão mais elevada para arrancar, que lhe irá ser fornecida da maneira como se irá ver a seguir.

Um tal conversor 16 é geralmente concebido para trabalhar com uma tensão de entrada máxima de alguns volts, enquanto que a tensão Vin pode atingir a tensão Vp do painel. De preferência, é previsto à entrada do conversor 16 um circuito limitador de tensão 17 à base de transístor e díodo Zener para manter a tensão de entrada do conversor nos limites requeridos.

Neste caso, o circuito de comando 14 integra, como meios de comunicação com uma central de gestão, um modem de linha de alta tensão ligado a um transformador de corrente 18, inserido no condutor de ligação em série no terminal K. O módulo pode, por exemplo, transmitir para a unidade central de controlo do valor da tensão fornecida pelo painel 12, tal como medido por uma ponte de resistência 20, e receber comandos a partir do transístor de comutação de S. A fim de melhorar a transmissão por corrente portadora, é proporcionado um condensador C2 ligado aos terminais do elemento díodo Dn. Este condensador apresenta uma baixa impedância à frequência de modulação da corrente portadora, e portanto permite pôr em curto-circuito as impe- 12 ΡΕ2524397 dâncias complexas introduzidas pelos diversos elementos ligados entre os terminais BI e B2.

As Figuras 3a e 3b representam dois modos de funcionamento do módulo da Figura 2 quando o painel 12 produz electricidade. 0 transístor S é simbolizado por um comutador e presume-se que o circuito 14 (não representado aqui) comanda o fecho do transístor S em permanência, o que é equivalente, como se acha representado, ao comando do transístor S pela saída do conversor 16. Presume-se também que as extremidades da cadeia de painéis se acham ligadas ao inversor que fecha o circuito de corrente.

Na Figura 3a encontramo-nos numa situação de arranque do parque em plena luz do dia. 0 módulo foi desprovido de alimentação, uma vez que a corrente série era igual a zero. Portanto, o transístor S está aberto. A tensão Vp nos terminais do painel 12 estabelece uma corrente que pode passar pelos elementos díodo Dn dos outros módulos (não representados), pelo inversor (não representado), e pelo conversor 16. Esta corrente vale: I = [Vp - (n-1)Vn]/(Zinv+Zsmps), em que Vin = Zsmps I, Vn é o limiar de condução de um elemento díodo Dn, η o número de painéis, Zinv a impedância do inversor e Zsmps a impedância do conversor 16. 13 ΡΕ2524397

Dado que o inversor é concebido para lidar com uma potência importante, a sua impedância é baixa, ao passo que a impedância do conversor 16 é bastante mais elevada. Deste modo, a tensão Vin à entrada do conversor estabelece-se praticamente a Vp - (n-l)Vn, o que é amplamente suficiente para o arranque do conversor. 0 transístor S é imediatamente fechado, e encontramo-nos no modo da Fig. 3b.

Pelo contrário, se o inversor não estiver ligado à cadeia, por exemplo se os painéis estão em curso de instalação, nenhuma corrente pode ser estabelecida e o transístor S permanece aberto. Isso elimina o risco de electro-cussão.

Portanto, na Figura 3b o transístor S está fechado. Este é o modo de funcionamento normal do parque. A corrente surge provindo do módulo anterior, passa pelo transístor S e pelo painel 12, e chega ao módulo seguinte. Assim, a tensão de entrada Vin do conversor 16 é a que reina nos terminais de um transístor S fechado.

Como aqui foi anteriormente indicado, a resistência ao estado de condução do transístor S é escolhida de modo a que a queda de tensão nos seus terminais seja suficiente para alimentar o conversor 16, logo que este tenha arrancado. É desejável que a queda de tensão nos terminais do transístor seja suficiente para alimentar o conversor, mas que não vá afectar significativamente o rendimento de produção de energia. Uma queda de tensão da ordem de 100 mV 14 ΡΕ2524397 seria capaz de constituir um bom compromisso.

De facto, no modo de realização da Figura 3b, a tensão Vin mostra estar regulada para um valor suficiente. Com efeito, se esta tensão Vin se tornar insuficiente, o conversor 16 deixa de poder comandar o transístor S, e este último começa a conduzir menos. Por conseguinte, a tensão Vin nos seus terminais aumenta até que esta seja de novo suficiente para alimentar o conversor de 16. A partir deste modo de funcionamento, pode-se querer comandar a abertura do transístor S, por exemplo para desligar o painel depois de se ter detectado uma anomalia. Ao abrir o transístor S, a corrente série começa a circular essencialmente através do elemento díodo Dn que vê uma queda de tensão em inverso Vn igual ao limiar condução do elemento Dn. A tensão de entrada do conversor 16 vale então Vin = Vp + Vn, que é o valor mais elevado entre os modos de funcionamento possíveis.

As Figuras 4a e 4b representam dois modos de funcionamento do módulo da Figura 2 quando a placa 12 não produz electricidade. A Figura 4a ilustra um modo de funcionamento atingido depois do da Figura 3b. 0 painel 12 deixa de produzir electricidade, por exemplo porque se encontra à sombra. 0 painel passa de um funcionamento em modo de gerador para um funcionamento em carga atravessada pela corrente 15 ΡΕ2524397 série. A tensão nos seus terminais inverte-se até ao limiar de condução VO do díodo DO, que assume então a substituição para fazer circular a corrente série.

Neste caso é fácil de perceber que o limiar de condução Vn do elemento Dn é de preferência superior a VO, de maneira que a corrente série passa de preferência pelo díodo DO, e portanto pelo transístor S para alimentar o conversor 16, em vez de passar pelo elemento Dn sem passar pelo transístor S.

Quando a cadeia produz menos energia devido à falha de um painel, a corrente série vai igualmente diminuir. Por conseguinte, a tensão Vin nos terminais do transístor S diminui. 0 conversor 16 reage de novo diminuindo a condutância do transístor S até que a tensão nos seus terminais vá alimentar suficientemente o conversor.

Se todos os painéis deixarem de produzir electri-cidade, por exemplo ao chegar da noite, a corrente série torna-se insuficiente para alimentar o conversor 16. A impedância deste torna-se inferior à do transístor S, e a tensão Vin diminui abaixo do limiar de funcionamento do conversor. 0 transístor S abre-se, e a corrente série continua a circular pelo conversor 16 e pelo díodo DO.

Caso se deseje continuar a alimentar os módulos a partir desse momento, basta que a central de gestão injecte uma corrente série suficiente, como será descrito a seguir. 16 ΡΕ2524397

Na Figura 4b, o transístor S encontra-se aberto numa situação em que a corrente série é suficiente para alimentar os módulos, mas em que o painel não produz elec-tricidade. Esta situação verifica-se quando tem início o arranque do parque ao nascer do dia e o painel se achar à sombra ou estiver defeituoso. 0 módulo pode assim ter recebido uma ordem de abertura do transístor S. A corrente série reparte-se entre o díodo DO, passando pelo conversor 16, e o elemento díodo Dn. A tensão Vin é então igual a Vn-VO. Assim, o limiar Vn do elemento Dn é de preferência escolhido de modo a que a tensão Vn-VO seja superior a um valor que permita o arranque do conversor 16.

Numa situação de arranque, o módulo não recebeu nenhum comando para abrir o transístor S. 0 conversor fecha o transístor S a partir do momento em que a sua tensão de entrada Vin atingir um valor suficiente para o seu arranque. Encontramo-nos então no modo de funcionamento da Figura 4a. A Figura 5 representa esquematicamente uma cadeia de painéis solares ligados a um inversor 22 (INV) pelas duas extremidades do condutor série 13. 0 inversor é precedido por uma central de gestão 24 (CCU), que desempenha as funções aqui anteriormente evocadas. Neste modo de realização, a central compreende, em série com o condutor de 13, um interruptor geral Sg próprio para pôr o parque fora de 17 ΡΕ2524397 serviço, e uma resistência Rs de medição da corrente série. Uma fonte de fornecimento de corrente auxiliar 26 é ligada para injectar uma corrente série no condutor 13, de sentido igual ao da corrente nominal.

Um circuito de comando 28 gere as funções da central CCU. Em especial, ele comanda o interruptor Sg e a fonte de fornecimento de corrente 26, e determina a corrente série medindo a tensão nos terminais da resistência Rs. Além disso, ele compreende um modem de corrente portador que permite comunicar com os modems homólogos dos módulos LCU por um transformador de corrente 30 inserido na linha 13 . 0 interruptor geral Sg é aberto para se efectuar operações de manutenção. A sua abertura anula a corrente série, portanto a alimentação dos módulos que vêem os seus transístores S abrirem-se, suprimindo qualquer risco de electrocussão. 0 interruptor geral Sg está fechado durante o funcionamento normal. Quando a iluminação dos painéis se torna mais fraca, a corrente série diminui. O circuito de comando 28 activa a fonte de fornecimento de corrente auxiliar 26 para continuar a alimentar os módulos LCU quando a corrente série atinge um valor mínimo. A central CCU irá retirar a sua alimentação de uma bateria recarregada durante o dia, ou então da rede eléctrica. 18 ΡΕ2524397

Os módulos LCU são assim alimentados tanto de dia como de noite e podem comunicar a qualquer momento com a central CCU por corrente portadora.

Se o condutor único 13 for cortado, como se acha ilustrado entre o segundo e o terceiro módulos a partir do lado de baixo, a corrente série anula-se e os módulos deixam de ser alimentados. Contudo, seria desejável conhecer a localização do corte do condutor. Uma vez que a corrente série se anula ao mesmo tempo para todos os módulos, a inteligência incorporada num módulo não pode servir para localizar o corte. A Figura 5 ilustra ainda um modo de realização de um sistema de localização de corte do condutor série. Cada módulo 10 compreende uma fonte de corrente constante 32 ligada entre o condutor série 13, por exemplo ao nivel do terminal Bl do módulo, e um terminal de terra E do módulo. A função do terminal de terra E é normalizada. Ele serve para ligar as partes metálicas do painel à terra por um condutor 34 comum a todos os painéis. Além disso, este condutor é ligado à entrada negativa da central de gestão CCU e à entrada negativa do inversor, se o fabricante previu a ligação à terra do inversor desta maneira. Certos inverso-res são ligados à terra pela sua entrada positiva. Nesse caso, inverte-se o sentido da corrente das fontes 32.

Cada fonte de 32 é prevista para fazer circular uma corrente de vigilância constante Iw do terminal de ter- 19 ΡΕ2524397 ra E para o terminal BI do módulo. Assim, uma corrente Iw que começa a circular a partir de cada fonte 32, como a que se acha representada a linha pontilhadas, vai circular no sentido do movimento dos ponteiros do relógio seguindo a corrente série no condutor 13, atravessando a central CCU, até à ligação do condutor 13 à terra. Ai as correntes Iw retornam às respectivas fontes 32 pelo condutor de terra 34.

Quando o condutor 13 é cortado, por exemplo entre o segundo e o terceiro módulos a partir do lado de baixo, as fontes de fornecimento de corrente 32 dos módulos que se encontram abaixo do ponto de corte deixam de poder fazer circular a sua corrente Iw. Pelo contrário, as fontes 32 dos módulos 3 2 que se encontram acima do ponto de corte podem, como se acha representado, fazer circular sempre a sua corrente. A soma das correntes de vigilância Iw que alcançam a central CCU é representativa da posição do módulo ao nível do qual se situa o corte.

Mais precisamente, por ocasião de um corte do condutor série 13, a corrente série anula-se. A central CCU detecta esse corte e activa a fonte de fornecimento de corrente auxiliar 26. A corrente auxiliar Ia, destinada a alimentar os módulos, tem um valor nominal superior à soma das correntes de vigilância. Como nesta situação só as correntes de vigilância é que podem circular através da fonte auxiliar 26, elas impõem o seu valor, que se estabelece em 3xlw neste exemplo. 0 circuito de comando 28 divide essa 20 ΡΕ2524397 corrente residual pelo valor Iw de uma corrente de vigilância, e encontra assim a posição, 3 a partir do lado de cima, do módulo ao nivel do qual se encontra o corte. A corrente residual é no máximo igual a nxlw (em que n é o número de módulos), o que corresponde ao caso em que o corte tem lugar entre o primeiro módulo e o inversor. Se o corte tiver lugar entre o último módulo e inversor, a corrente residual é nula.

Este sistema de localização de corte é independente do tipo de módulo utilizado. Pode-se tratar de um módulo sem nenhuma inteligência. As fontes de corrente 32 são de preferência de tipo bipolar, a fim de que eles não precisem de alimentação eléctrica ao nivel dos módulos. Uma fonte de corrente bipolar retira a sua alimentação da tensão entre os seus dois terminais, desde que esta seja suficiente .

Quando todos os painéis são alimentados e não há corte, as tensões nos terminais das fontes 32 são próximas da tensão de entrada do inversor, com uma diferença de apenas alguns limiares Vn. No entanto, as fontes 32 estão polarizadas de uma maneira inversa e por esse motivo são inactivas.

Quando há uma corte, a fonte de corrente auxiliar 26 inverte a tensão de entrada no inversor, indo então as fontes 32 ficar polarizadas e tornar-se activas. A fonte 32 que tem a tensão mais baixa nos seus terminais é a do pri- 21 ΡΕ2524397 meiro módulo, que vê uma tensão Va - (n-l)Vn, em que Va é a tensão nos terminais da fonte de corrente auxiliar 26. A tensão de alimentação da fonte auxiliar 26 é de preferência escolhido de modo a que a fonte 32 do primeiro módulo veja uma tensão suficiente nos seus terminais.

Em instalações de base, podemos dispensar algumas funções para reduzir o custo, em especial funções de comunicação por corrente portadora. No entanto, é desejável manter funções de segurança, em especial as que suprimem o risco de electrocussão. Vimos que um módulo do tipo da Figura 2 assegura, sem nenhuma comunicação com a central, uma abertura automática do transístor S a partir do momento em que este deixar de ser percorrido por uma corrente. Por outras palavras, assim que a corrente série é cortada, por um comutador geral ao nivel do inversor ou pela remoção de um painel, os transístores S de todos os módulos vão desligar os painéis do condutor série, indo assim suprimir o risco de electrocussão.

No entanto, pode-se desejar uma função de segurança mais avançada, a saber, uma nova ligação dos painéis apenas por ordem explicita. Utilizando módulos do tipo da Figura 2, uma tal função pode ser obtida utilizando um circuito de comando local 14 que espera por uma ordem especifica para fechar o transístor S. Esta ordem ser-lhe-á enviada a partir da central por corrente portadora. A Figura 6 representa um modo de realização do 22 ΡΕ2524397 módulo de comando local que permite executar esta função sem meios de comunicação complexos. Em comparação com a Figura 2, o elemento díodo Dn foi substituído por um díodo único Dl, de preferência de tipo Schottky. 0 díodo DO foi suprimido. 0 conversor que serve para alimentar os circuitos do módulo, aqui designado por 16', toma a sua tensão de entrada nos terminais do painel 12, quer dizer, nos terminais Al e A2. Por outras palavras, neste caso o módulo só irá ser alimentado se o painel 12 produzir electricidade. Dado que se pretende alimentar o módulo mesmo que o painel se ache fracamente iluminado, e que ele produza uma baixa tensão, o conversor 16 é de preferência de tipo elevador. Assim, é preferível proporcionar um limitador de tensão 17 à entrada do conversor para adaptar a sua tensão de entrada assim que o painel produzir a sua tensão nominal. 0 transístor S é comandado por um comparador 60 que compara a tensão nos terminais de uma resistência R2 com uma tensão de referência Vref e fecha o transístor S quando a tensão nos terminais da resistência R2 ultrapassa a tensão de referência Vref. Um amplificador de transcondu-tância 62 injecta na resistência R2 uma corrente indicativa da corrente série no condutor 13. O amplificador 62 mede uma tensão representativa da corrente série nos terminais de uma resistência R3 colocada no condutor 13 entre os terminais Al e BI. O amplificador 62 é alimentado nos terminais de um díodo de Zener Dz cujo cátodo se acha ligado ao terminal 23 ΡΕ2524397

Bl e o ânodo acha-se ligado ao terminal A2 por meio de uma resistência R4.

Com esta configuração, desde que o painel 12 produza electricidade, o conversor 16' alimenta os circuitos do módulo. No entanto, o transístor S permanece aberto. Acontece o mesmo para todos os módulos da cadeia. Os painéis permanecem desligados do condutor série 13, mesmo que o conjunto da instalação esteja sob tensão. A fim de fazer com que a instalação comece a funcionar, a central de comando CCU (Figura 5) injecta uma corrente auxiliar no condutor série 13. Esta corrente passa pelos díodos Dl e pelas resistências R3 dos módulos. Esta corrente é escolhida com um valor suficiente para fazer oscilar os comparadores 60. Os transístores S fecham-se ligando os painéis ao condutor série. A corrente passa, em cada módulo, pelo transístor S, pelo painel 12 e pela resistência R3. Uma vez que a corrente que passa pela resistência R3 é ainda mais elevada do que a corrente auxiliar, o fecho do transístor S é mantido. A partir do momento em que um painel 12 deixa de produzir electricidade, o módulo correspondente deixa de ser alimentado, e o seu transístor S abre-se. A corrente séria vai então passar pelo díodo Dl. A partir do momento em que o painel começa novamente a produzir electricidade, o módulo é alimentado. Assim que a corrente na resistência R3 for suficiente, o comparador 60 fecha imediatamente o - 24 - ΡΕ2524397 transístor R3. A fim de provocar um novo desligamento de segurança dos painéis, abre-se o interruptor geral Sg (Figura 5). Um fecho subsequente deste interruptor irá fazer com que a instalação vá ficar sob tensão, mas não provoca o fecho dos transístores S - para isso é preciso injectar de novo uma corrente no condutor série.

Uma vantagem deste modo de realização, em relação ao da Figura 2, é a de que as quedas de tensão parasitas introduzidas pelo módulo podem ser minimizadas. Com efeito, o transístor S pode ser escolhido com uma resistência no estado de condução tão pequena quanto desejado. 0 díodo Dl, de tipo Schottky, apresenta um limiar de condução muito baixo. A Figura 7 representa uma variante do módulo da Figura 2. Em comparação com a Figura 2, o módulo compreende um segundo conversor 70 alimentado entre os terminais AI e A2, que vem suplementar o conversor 16, em especial no modo de funcionamento da Figura 3b. 0 modo da Figura 3b corresponde a um modo normal de um painel produzindo electricidade. Este modo é o que se pretende ter durante o maior período de tempo possível. Também é um modo em que se pretenderá utilizar a maior quantidade possível de funcionalidade do módulo. Por outro lado, é também um modo em que o módulo da Figura 2 é o 25 ΡΕ2524397 menos bem alimentado (a partir da queda de tensão nos terminais do transístor S fechado). As funcionalidades desejadas, activadas por um microcontrolador, podem consumir mais corrente do que a que o inversor 16 pode fornecer a partir de uma tensão de 100 mV. O conversor suplementar 70 permite alimentar o módulo a partir do painel, e portanto substituir o conversor 16 nos modos em que o painel produz electricidade. Nos modos em que o painel não produz electricidade, é o conversor 16 que alimenta o módulo da maneira que aqui foi ante-riormente descrita. O conversor 70 é de preferência um redutor de tensão. A Figura 8 representa uma variante do módulo da Figura 7. Em comparação com a Figura 7, os dois conversores 16 e 70 são substituídos por um único conversor 80, de tipo elevador. A entrada positiva do conversor 80 é ligada ao terminal AI por meio de um díodo D2 e ao terminal B2 por meio de um díodo D3. Estes díodos são ligados para fornecer ao conversor 80 o mais elevado dos potenciais presentes nos terminais AI e B2. 0 díodo D0 é substituído por um díodo D0' cujo cátodo se mantém ligado ao terminal Al, mas cujo ânodo já não se acha ligado ao terminal A2. 0 ânodo do díodo D0' acha-se ligado ao terminal negativo do conversor 80. Um díodo D4 está ligado pelo seu cátodo ao terminal A2 e pelo seu ânodo ao terminal negativo do conversor 80. 26 ΡΕ2524397 0 conversor 80 é do tipo elevador para trabalhar com uma tensão de entrada máxima de alguns volts. No entanto, a tensão de entrada pode, pelos diodos D2 ou D3, de acordo com o modo de funcionamento, atingir a tensão do painel, o que pode ser incompatível com a gama de funcionamento do conversor. De preferência, como para a Figura 2, à entrada do conversor é previsto um circuito limitador de tensão 17 que faz com que a tensão de entrada desça para um valor aceitável quando o conversor é alimentado pelo painel .

Os díodos DO' e D2 a D4 são, de preferência, díodos de baixo limiar de condução, por exemplo de tipo Schottky.

Esta variante, como será visto a seguir, permite que o conversor 80 possa trabalhar em melhores condições do que no caso das Figuras 2 e 7, nos modos em que o painel não produz electricidade. A Figura 9a ilustra o módulo da Figura 8 num modo de funcionamento em que o painel 12 produz electricidade. Uma parte da corrente do painel passa pelo díodo D2, pelo conversor 80, pelo díodo D4 e regressa ao painel. Qualquer que seja o estado do transístor S, este não é percorrido pela corrente que alimenta o conversor. Se ele estiver aberto, a corrente série passa pelo elemento díodo Dn. Se ele estiver fechado, a corrente série passa pelo transístor e pelo painel. 27 ΡΕ2524397 0 conversor é assim alimentado por uma tensão Vin = Vp - 2V0. A Figura 9b ilustra o módulo da Figura 8 num modo de funcionamento em que o painel 12 não produz electricida-de. Uma parte da corrente série passa pelo elemento díodo Dn, que vê nos seus terminais uma tensão limiar Vn em inverso. Esta tensão Vn alimenta o conversor 80. Uma segunda parte da corrente série passa pelo díodo D3, pelo conversor 80 e pelo díodo DO'. O transístor S, quer se ache fechado ou aberto, não afecta a corrente que alimenta o conversor 80 . O conversor é assim alimentado com uma tensão Vin = Vn - 2V0. Em função da corrente consumida pelos circuitos do módulo, escolher-se-á a tensão de limiar Vn do elemento díodo Dn para que o conversor possa fornecer a potência requerida.

Um módulo do tipo da Figura 7 ou 8 permanece ligado mesmo se for desligado do condutor série 13, desde que o seu painel esteja iluminado. Por esse facto, a abertura do transístor S não é automática quando se desliga o módulo. Caso se deseje limitar o risco de electrocussão nos módulos das Figuras 7 e 8, poderá ser previsto o mesmo mecanismo que o da Figura 6.

De acordo com uma alternativa que utiliza a comunicação por corrente portadora, o módulo e a central 24 são 28 ΡΕ2524397 configurados para implementar um procedimento de "cão de guarda" ou "watch-dog". A central emite periodicamente um sinal de verificação. A cada recepção do sinal de verificação, o módulo reinicializa um contador de tempo. Se o sinal de verificação não deixar de ser recebido, porque o módulo foi desligado do condutor série 13, o contador expira e o módulo ordena a abertura do transístor S. A partir do momento em que o módulo recebe de novo o sinal de verificação, ele ordena o fecho do transístor S.

Lisboa, 27 de Fevereiro de 2014

Claims (3)

1. ΡΕ2524397 1 REIVINDICAÇÕES 1. Módulo de comando local de um painel foto-voltaico que compreende: - um primeiro e um segundo terminais (Bl, B2) de ligação em série a módulos homólogos por um condutor único (13) ; - um primeiro terminal (Al) de ligação do painel foto-voltaico, ligado ao primeiro terminal (Bl) de ligação em série; - um comutador (S) ligado entre o segundo terminal (B2) de ligação em série e um segundo terminal (A2) de ligação do painel; - um díodo (DO) ligado entre o primeiro e o segundo terminais (Bl, B2) de ligação em série; e - um conversor (70) próprio para alimentar o módulo a partir da tensão desenvolvida pelo painel de entre o primeiro e o segundo terminais (Al, A2) de ligação do painel, caracterlzado por compreender: - um sensor (R3) próprio para medir a corrente que circula no condutor único (13); e - uns meios (60, 62) próprios para fechar o comutador quando a corrente que circula no condutor único ultrapassa um limiar.
2. 2. Módulo de acordo com a reivindicação 1, 2 ΡΕ2524397 caracterizado por o comutador (S) ser aberto na ausência de alimentação eléctrica, do que resulta que o comutador se abre e se mantém aberto quando o painel fotovoltaico fornece uma tensão insuficiente para alimentar o módulo.
3. 3. Central de gestão de um conjunto de módulos de acordo com a reivindicação 1 ligados em série por um condutor único (13), caracterizada por compreender: - uns meios (28) próprios para determinar uma colocação sob tensão do conjunto de módulos; e - uns meios (26) próprios para injectar no condutor único uma corrente superior ao referido limiar quando é determinada a colocação sob tensão, do que resulta o fecho dos comutadores (S) dos módulos associados aos painéis que fornecem electricidade. Lisboa, 27 de Fevereiro de 2014