ITPI20130045A1 - Dispositivo e metodo di ottimizzazione dell'energia prodotta da pannelli fotovoltaici. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE

DISPOSITIVO E METODO DI OTTIMIZZAZIONE DELL’ENERGIA PRODOTTA DA

PANNELLI FOTOVOLTAICI.

SETTORE TECNICO

La presente invenzione concerne un dispositivo di ottimizzazione dell’energia elettrica prodotta da generatori elettrici in corrente continua, specificamente pannelli fotovoltaici, in cui i suddetti generatori elettrici in corrente continua sono collegati in serie a formare almeno una stringa di generatori connessa ad almeno un inverter, ed il suddetto dispositivo à ̈ installabile interposto tra i generatori e l’inverter e comprende un modulo di conversione DC/DC idoneo ad attuare un algoritmo di MPPT.

L’invenzione concerne anche un metodo di ottimizzazione dell’energia prodotta da generatori elettrici in corrente continua, in cui i suddetti generatori elettrici in corrente continua sono collegati in serie a formare almeno una stringa di generatori connessa ad almeno un inverter.

STATO DELL’ARTE

Gli impianti fotovoltaici comprendono solitamente un certo numero di pannelli fotovoltaici connessi in serie a formare una stringa. Una stringa à ̈ connessa ad un inverter di stringa, il quale può essere un inverter di tipo “grid-tie†, vale a dire che connette direttamente l’impianto fotovoltaico alla rete elettrica pubblica a corrente alternata. Alternativamente, un elevato numero di stringhe identiche sono connesse in parallelo, tramite interposizione di un inverter di stringa o direttamente grazie ad un power bus in corrente continua che le connette ad un inverter.

I moduli fotovoltaici sono generatori di corrente non lineari, con curve di funzionamento descritte dai produttori, mentre il compito degli inverter à ̈ quello di estrarre la massima potenza disponibile in continua (DC) dai moduli fotovoltaici inseguendo un punto di massima potenza (MPPT) e immettere energia nella rete elettrica dove sono collegati sotto forma di corrente alternata (AC). Essendo i moduli fotovoltaici generatori di corrente connessi in serie (stringa) per raggiungere le tensioni di lavoro dell’inverter, se, come avviene nella realtà, i moduli non sono tutti identici, la corrente di stringa sarà quella del generatore che fornisce il valore minore. Questo implica che, senza opportuni accorgimenti, nessun modulo, e nel miglior caso uno soltanto, lavora nel proprio punto di massima potenza.

I fattori che possono influenzare negativamente e differenziare il comportamento dei moduli fotovoltaici sono molteplici e, escludendo i problemi di progettazione ed installazione, che devono essere risolti a monte, possono essere categorizzati in funzione dell’impatto che hanno sulla potenza prodotta dal modulo fotovoltaico. Si possono allora individuare sostanzialmente tre categorie di problematiche che influenzano la potenza prodotta da un modulo fotovoltaico:

a) - ombre molto importanti, o altre criticità rilevanti che riducono di oltre il 50% la potenza prodotta dal modulo rispetto a quella dichiarata,

b) - ombre abbastanza importanti, mismatching elevato, o altre criticità che la riducono tra il 5% ed il 50%,

c) - tolleranze da invecchiamento, ombreggiamento leggero, sporcizia, ghiaccio, temperature diverse tra i moduli ed altre criticità che riducono la potenza di meno del 5%.

I problemi della categoria a) vengono convenzionalmente risolti utilizzando diodi di bypass inseriti nella junction box in uscita dal pannello.

Questi prevengono la polarizzazione inversa delle celle e quindi il loro precoce invecchiamento. Tuttavia, nei diodi stessi avviene una certa dissipazione di potenza che viene sottratta da quella prodotta dagli altri moduli della stringa. Inoltre, il calore dissipato dai diodi porta a disomogeneità di temperatura delle celle e quindi perdite di produzione.

Risulta quindi importante effettuare il bypass nel modo energeticamente ed economicamente meno oneroso possibile. Sono note topologie circuitali basate su MOSFETs in grado di simulare il comportamento di diodi con una dissipazione inferiore, tuttavia aumenta sensibilmente il costo del circuito.

Quando la perdita di potenza à ̈ inferiore e rientra sostanzialmente nella categoria b), il problema può essere risolto non escludendo il modulo dalla stringa ma utilizzando tecniche di ottimizzazione.

Una tecnica di ottimizzazione nota prevede l’utilizzo di microinverter DC/AC dotati di MPPT, vale a dire l’utilizzo di inverter associati ad un numero ridotto di moduli, tipicamente da 1 a 4. Questo consente di estrarre in modo più accurato la potenza dai pannelli, tuttavia presenta costi e perdite maggiori sulla conversione in energia per la rete elettrica.

Una diversa tecnica di ottimizzazione prevede di associare ad ogni modulo un dispositivo di ottimizzazione, interponendolo tra il pannello e l’inverter (di stringa). Questo dispositivo esegue una conversione DC/DC, di tipo buck e / o di tipo boost, basata su un algoritmo di MPPT. Dispositivi di questo tipo sono descritti, ad esempio in US2009150005 ed in EP2533299. Tuttavia, l’ottimizzazione con dispositivi in grado di eseguire un MPPT distribuito tramite conversione DC/DC risulta vantaggiosa solo quando la perdita di potenza rientra nella sopra menzionata categoria b). Quando l’impianto non presenta problemi particolari e la perdita di potenza rientra nella categoria c) ogni convertitore DC/DC dissipa inutilmente energia, in molti casi più di quella che permette di recuperare, peggiorando quindi l’efficienza dell’impianto.

SINTESI DELL’INVENZIONE

Scopo della presente invenzione à ̈ allora quello di proporre un dispositivo e relativo metodo di ottimizzazione dell’energia elettrica prodotta da generatori elettrici in corrente continua, specificamente pannelli fotovoltaici, in grado di recuperare in modo efficace anche la potenza persa a causa di fattori di minor impatto quali tolleranze da invecchiamento, ombreggiamento leggero, sporcizia, ghiaccio, temperature diverse tra i moduli.

Ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di proporre un dispositivo comprendente un modulo MPPT con convertitore DC/DC ed un metodo di MPPT dall’efficienza ottimizzate.

Un altro scopo della presente invenzione à ̈ proporre un dispositivo associabile a moduli fotovoltaici provvisto di moduli di bypass ad efficienza ottimizzata.

Un altro scopo della presente invenzione à ̈ proporre un dispositivo associabile a moduli fotovoltaici che consenta di intervenire con elevata sicurezza in caso di incendio nell’impianto, oppure nelle zone circostanti anche quando c’à ̈ la necessità di disalimentare i conduttori elettrici, ad esempio per interventi di manutenzione.

Secondo un aspetto della presente invenzione gli scopi suddetti sono raggiunti grazie ad un dispositivo per la ottimizzazione dell’energia prodotta da generatori elettrici in corrente continua collegati in serie a formare almeno una stringa di generatori connessa ad almeno un inverter, detto dispositivo comprendente:

- almeno un modulo di ingresso comprendente mezzi di bypass di ingresso adatti a mettere in cortocircuito detto generatore escludendolo dal resto della stringa e prevenendone la polarizzazione inversa;

- almeno un modulo di compensazione di energia reattiva comprendente almeno un componente a reattanza variabile;

- almeno un modulo di trasformazione DC/DC con tecnologia switching adatto ad implementare un algoritmo di ricerca del punto di massima potenza;

- mezzi di bypass del modulo di trasformazione DC/DC associati ad ognuno di detti stadi di trasformazione DC/DC per permetterne il bypass;

- mezzi di misurazione della tensione e / o corrente di ingresso a detto dispositivo e mezzi di misurazione della tensione e / o corrente in uscita da detto dispositivo; un’unità di controllo adatta a controllare i suddetti moduli e mezzi di bypass in funzione almeno della corrente e / o tensione in ingresso e uscita per ottimizzare la resa di potenza di detto impianto.

Il dispositivo sopra delineato permette di ottimizzare l’energia prodotta dall’impianto fotovoltaico attuando sia tecniche convenzionali quali la ricerca del punto di massima potenza che una innovativa tecnica di compensazione dell’energia reattiva.

Il dispositivo prevede vantaggiosamente un modulo di uscita (7) comprendente mezzi di bypass di uscita adatti ad escludere il generatore (G) e detto modulo di trasformazione DC/DC (4) ad esso associato dal resto di detta stringa (S), così da eliminare la dissipazione di energia che si avrebbe nei moduli di trasformazione DC/DC in caso di bypass del pannello.

Preferibilmente il dispositivo comprende:

- almeno due moduli di ingresso ad ognuno dei quali à ̈ connesso un relativo generatore;

- un modulo di compensazione di energia reattiva per ogni generatore connesso a detto dispositivo;

- un modulo di trasformazione DC/DC per ogni generatore connesso a detto dispositivo, operante con tecnologia switching di tipo buck;

- mezzi di bypass di ognuno dei moduli di trasformazione DC/DC;

- mezzi di disaccoppiamento in uscita (6) idonei a ricevere in ingresso detti due stadi di trasformazione DC/DC (4 ,4a) ed a restituire in uscita una singola uscita in tensione.

La suddetta forma di realizzazione del dispositivo permette di ridurre il numero di dispositivi da installare nella stringa a parità di numero di generatori ed inoltre dimezza l’incidenza degli errori di misurazione delle tensioni e correnti.

Vantaggiosamente sia i moduli di trasformazione DC/DC che i relativi mezzi di bypass comprendono ognuno almeno un interruttore collegato in serie al relativo generatore in modo tale che l’apertura contemporanea di detti interruttori separa i generatori associati a detto dispositivo dal resto dell’impianto.

Il controllore può quindi comandare in apertura i suddetti interruttori, separando i pannelli dalla stringa e permettendo, per esempio in caso di incendio, di azzerare le tensioni e correnti in uscita dal dispositivo, e di lasciare in ingresso al dispositivo la sola tensione dei pannelli (di pochi volts), consentendo così di intervenire con schiume estinguenti.

Secondo un altro aspetto della presente invenzione gli scopi suddetti vengono raggiunti grazie ad un metodo per la ottimizzazione dell’energia prodotta da generatori elettrici in corrente continua collegati in serie a formare almeno una stringa di generatori connessa ad almeno un inverter, ed in cui dispositivi di ottimizzazione sono disposti tra ognuno di detti generatori e detto inverter e prevedono:

- almeno un modulo di ingresso comprendente mezzi di bypass di ingresso adatti a mettere in cortocircuito detto generatore escludendolo dal resto dell’impianto e prevenendone la polarizzazione inversa;

- almeno un modulo di compensazione di energia reattiva comprendente almeno un componente a reattanza variabile;

- almeno un modulo di trasformazione DC/DC con tecnologia switching adatto ad implementare un algoritmo di ricerca del punto di massima potenza;

- mezzi di bypass del modulo di trasformazione DC/DC associati ad ognuno di detti stadi di trasformazione DC/DC per permetterne il bypass;

- mezzi di misurazione della tensione e / o corrente di ingresso a detto dispositivo e mezzi di misurazione della tensione e / o corrente in uscita da detta dispositivo; ed in cui in base al rilevamento delle tensioni e / o correnti in ingresso ed in uscita dal dispositivo viene definita una modalità di ottimizzazione della potenza prodotta da pannelli fotovoltaici associati al dispositivo scegliendo tale modalità di ottimizzazione tra:

- il bypass del pannello tramite mezzi di bypass di ingresso,

- la compensazione dell’energia reattiva tramite attivazione e pilotaggio del modulo di compensazione di energia reattiva,

- l’attivazione di un algoritmo di MPPT implementato tramite il modulo di trasformazione DC/DC con tecnologia switching di tipo buck,

- una combinazione delle suddette tecniche.

Il metodo dell’invenzione permette di ottimizzare l’energia prodotta, scegliendo continuamente e dinamicamente la tecnica di ottimizzazione più adatta tra quelle disponibili. In particolare, il metodo dell’invenzione permette di utilizzare una tecnica di compensazione dell’energia reattiva quando la tecnica di ricerca del punto di massima potenza non risulta efficace, vale a dire quando le differenze di potenza prodotta dai vari pannelli sono minime in quanto dovute solo a fattori minori quali invecchiamento, ombreggiamento leggero, sporcizia, zone a temperatura diversa, ecc.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

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

- la figura 1 mostra una rappresentazione schematica di una stringa di un impianto fotovoltaico che comprende una pluralità di dispositivi secondo una prima forma realizzativa dell’invenzione;

- la figura 2 mostra una rappresentazione schematica di una stringa di un impianto fotovoltaico che comprende una pluralità di dispositivi secondo una seconda forma realizzativa dell’invenzione;

- la figura 3 mostra un diagramma funzionale a blocchi di un dispositivo secondo la forma realizzativa di fig.1 associato ad un relativo generatore; - la figura 4 mostra un diagramma funzionale a blocchi di un dispositivo secondo la forma realizzativa di fig.2 associato a due relativi generatore; - la figura 5 mostra uno schema di maggior dettaglio di una specifica forma realizzativa del dispositivo di fig.4

- la fig. 6 mostra un diagramma di flusso di alcune fasi di un metodo secondo l’invenzione;

- la figura 7 mostra un diagramma di flusso di ulteriori fasi di un metodo secondo l’invenzione.

DESCRIZIONE DELLE FORME REALIZZATIVE PREFERITE

Con riferimento alla fig.1 à ̈ indicata complessivamente con S una stringa di un impianto fotovoltaico comprendente una pluralità di moduli fotovoltaici, G. Ogni modulo fotovoltaico à ̈ associato ad un dispositivo, 100, secondo la presente invenzione ed i suddetti dispositivi sono collegati tra loro in serie e ad un inverter di stringa, I. L’architettura dell’impianto fotovoltaico potrebbe prevedere la presenza di ulteriori stringhe e di un inverter centralizzato in aggiunta o in sostituzione dell’inverter di stringa I.

Secondo una variante realizzativa preferita dell’invenzione, rappresentata in fig.2, ad ogni dispositivo, 100’, dell’invenzione sono associati due generatori G, Ga, della stringa S.

Con riferimento a fig. 3, un dispositivo 100 secondo la prima forma realizzativa comprende:

- mezzi di misurazione della tensione e / o corrente di ingresso, 1;

- un modulo di ingresso, 2, comprendente mezzi di bypass di ingresso adatti a mettere in cortocircuito il generatore G associato al dispositivo escludendolo dal resto della stringa S e prevenendone la polarizzazione inversa;

- un modulo di compensazione di energia reattiva, 3, comprendente almeno un componente a reattanza variabile;

- un modulo di trasformazione DC/DC, 4, operante con tecnologia switching ed adatto ad implementare un algoritmo di ricerca del punto di massima potenza (MPPT);

- mezzi di bypass MPPT, 5, disposti in parallelo al suddetto modulo di trasformazione DC/DC 4 per permetterne il bypass;

- un modulo di filtraggio dei disturbi, 6, idoneo al filtraggio dei disturbi dovuti alle commutazioni che avvengono nel modulo si trasformazione DC/DC,

- un modulo di uscita, 7, comprendente mezzi di bypass di uscita adatti ad escludere il dispositivo 100 ed il generatore G ad esso associato dal resto della stringa S;

- mezzi di misurazione della tensione e / o corrente in uscita, 8; e

- un’unità di controllo, 9 adatta a controllare i suddetti moduli 2, 3, 4, 7 e mezzi di bypass 5 in funzione almeno della corrente e / o tensione in ingresso e uscita per ottimizzare la resa di potenza del pannello G.

Nella forma realizzativa preferita dell’invenzione, in cui ad ogni dispositivo 100’ sono associati due generatori G, Ga, sono presenti, con riferimento a fig. 4, mezzi di misurazione della tensione e / o corrente di ingresso 1, un modulo di ingresso 2 comprendente mezzi di bypass, un modulo di compensazione di energia reattiva 3, un modulo di trasformazione DC/DC 4 e relativi mezzi di bypass 5, associati al primo generatore G, ed ulteriori analoghi componenti 1a, 2a, 3a, 4a, 5a associati al secondo generatore Ga. Nel modulo di filtraggio dei disturbi 6 i circuiti vengono accoppiati in modo da avere una singola tensione di uscita dal dispositivo ed anche i componenti di uscita, vale a dire i mezzi di bypass del modulo di uscita 7 e i mezzi di misurazione della tensione e / o corrente in uscita 8, sono singoli.

Con riferimento alla figura 5 verrà adesso descritta in maggior dettaglio questa preferita seconda forma realizzativa.

Vantaggiosamente, i mezzi di misurazione della tensione e / o corrente in ingresso 1 comprendono mezzi di misurazione della corrente in ingresso, 11, 11a, e mezzi di misurazione della tensione in ingresso, 12, 12a. Il sistema di misura può essere realizzato in molteplici modi. Tipicamente, l’acquisizione della tensione à ̈ effettuata per mezzo di un partitore resistivo seguito da un buffer con ingresso ad alta impedenza, in modo da poter minimizzare le perdite. Il partitore resistivo à ̈ parte del filtro anti-aliasing di ingresso, così da massimizzare l’immunità ai disturbi esterni, in modo particolare dovuti alla tipologia di carico, vale a dire l’inverter I. L’acquisizione della corrente à ̈ vantaggiosamente realizzata per mezzo di un convertitore corrente/tensione di tipi resistivo o ad effetto Hall. Se la misura à ̈ realizzata low-side si ottengono molteplici vantaggi dal punto di vista del CMRR (Common Mode Rejection Ratio) richiesto per lo stadio di condizionamento. Ovviamente, à ̈ possibile utilizzare numerose alternative di tecnologie note per la misurazione della corrente, da scegliere cercando un compromesso tra costi e prestazioni.

I mezzi di bypass del modulo di ingresso 2 sono preferibilmente costituiti da due componenti elettronici distinti: un transistor ad effetto di campo, 21, 21a, ed un diodo ad elevate prestazioni, 22, 22a (anche se in fig. 5 rappresentati con un unico simbolo di diodo). In condizioni di corrente limitata viene utilizzato il transistor ad effetto di campo 21, 21a, dove il canale assume un valore resistivo e la dissipazione à ̈ minima, mentre in condizione di corrente elevata viene utilizzato il diodo 22, 22a. L’associazione dei due componenti, utilizzati alternativamente in specifiche condizioni, permette notevoli vantaggi in termini di potenza dissipata, senza dover utilizzare transistor ad effetto di campo notevolmente sovradimensionati per l’applicazione.

Il modulo di compensazione di energia reattiva 3 comprende uno o più elementi capacitivi, 31, 31a, connessi in parallelo al generatore G, Ga rispettivamente mediante uno o più rispettivi commutatori elettronici 32, 32a. I commutatori elettronici devono essere in grado di far caricare gli elementi capacitivi e lasciare che si scarichino quando non controllati. Ogni commutatore elettronico 32, 32a, à ̈ vantaggiosamente costituito da un transistor ad effetto di campo e da un diodo di ricircolo ed i menzionati due componenti sono dimensionati per la corrente di carica degli elementi capacitivi nella condizione più critica e sono in grado di lavorare alla frequenza di switching imposta dal controllore 9. La reattanza (capacitiva) generata nel modulo di compensazione di energia reattiva 3, 3a viene variata dal controllore 9 in funzione del duty-cycle da esso imposto e della frequenza di lavoro dell’utilizzatore collegato in uscita, vale a dire l’inverter I. Nel controllore 9 à ̈ implementato un opportuno algoritmo che definisce i valori che deve assumere la reattanza generabile da modulo di compensazione di energia reattiva 3, 3a per massimizzare la potenza estratta dal pannello G, Ga. Il principio secondo il quale il modulo di compensazione di energia reattiva 3, 3a à ̈ in grado di recuperare energia dal pannello si basa sul fatto che l’algoritmo MPPT dell’inverter I à ̈ un’elettronica basata su impulsi di corrente controllati (switching), quindi, nonostante la sezione a monte di esso, cioà ̈ quella dei generatori G collegati in serie, sia sostanzialmente considerata in corrente continua (DC), contiene anche un notevole ammontare di corrente alternata alla frequenza di lavoro dell’MPPT dell’inverter I. Utilizzando componenti reattivi si crea una sorta di bypass parziale che, quando si hanno cambi di punto di lavoro dell’utilizzatore, permette di immagazzinare negli elementi capacitivi 31, 31a l’energia che andrebbe normalmente persa, restituendola poi alla stringa (S).

In una forma realizzativa alternativa del dispositivo dell’invenzione un modulo di compensazione di energia reattiva 3, 3a, può essere realizzato prevedendo reattanze variabili di tipo induttivo, collegate in serie al generatore, con il relativo commutatore elettronico connesso comunque in parallelo.

Il modulo di trasformazione DC/DC 4, 4a, Ã ̈ formato da interruttori, 41, 41a, collegati in serie al rispettivo generatore G, Ga, e da ulteriori interruttori, 42, 42a, aventi la funzione di diodo di ricircolo. Questi ultimi possono essere sincronizzati con i rispettivi interruttori 41, 41a.

Il modulo di filtraggio dei disturbi 6 comprende una o più induttanze 61, 61a associate in serie ad ogni generatore G, Ga uno o più elementi capacitivi, 62, 62 associati ad ognuno dei generatori G, Ga ed uno o più elementi capacitivi di disaccoppiamento, 63, in uscita. Il modulo di filtraggio dei disturbi realizza quindi, nella presente forma di realizzazione del dispositivo, mezzi di disaccoppiamento a cui sono associati in ingresso i due moduli di trasformazione DC/DC 4 e 4a e che prevede una singola uscita in tensione. Il modulo di filtraggio dei disturbi 6 ha la funzione di eliminare dallo spettro della tensione di uscita lo spettro nell’intorno della frequenza di switching. Gli elementi capacitivi di disaccoppiamento realizzano un filtro di tipo RC (RLC) tramite il cablaggio dell’impianto fotovoltaico ed eventuali filtri di ingresso dell’inverter I. Questo permette di ridurre ulteriormente disturbi provenienti da uno stadio DC/DC dell’inverter I stesso. Inoltre, gli elementi capacitivi di disaccoppiamento 63, in quanto componenti reattivi in regime di corrente continua pulsata, e quindi in quanto reattanze capacitive, compensano almeno parzialmente la reattanza induttiva dovuta principalmente ai vari cablaggi del sistema fotovoltaico.

Ogni modulo di trasformazione DC/DC, 4, 4a, insieme alla relativa induttanza 61, 61a del modulo di filtraggio dei disturbi 6, ed insieme anche ad un sistema di pilotaggio degli interruttori e ad un opportuno algoritmo di ricerca del punto di massima potenza, forma un modulo MPPT.

I mezzi di bypass 5, 5a del modulo di trasformazione DC/DC comprendono un interruttore di bypass, 51, 51a, e permettono, quando à ̈ necessario, di connettere l’uscita direttamente con l’ingresso, di escludere il modulo di trasformazione DC/DC 4, 4a limitando la dissipazione di potenza, in quanto creano alla corrente un percorso alternativo all’induttanza 61, 61a.

Il modulo di uscita 7 comprende mezzi di bypass di uscita preferibilmente realizzati come i mezzi di bypass del modulo di ingresso 2. Più specificamente sono preferibilmente costituiti da due componenti elettronici distinti: un transistor ad effetto di campo, 71, ed un diodo ad elevate prestazioni, 72. I mezzi di bypass di uscita consentono il corretto funzionamento dei moduli MPPT. Nel caso che i mezzi di bypass dei moduli di ingresso 2, 2a, siano pilotati in regime di bypass, anche i mezzi di bypass del modulo di uscita vengono pilotati in regime di bypass, realizzando così un percorso preferenziale e prevenendo la dissipazione di energia nei moduli a monte.

I mezzi di misurazione della tensione e / o corrente in uscita 8 possono essere realizzati con la stessa componentistica e tipologia circuitale dei mezzi di ingresso 1, oppure possono essere realizzati diversamente. In una forma realizzativa preferita, i mezzi di misurazione in uscita 8 comprendono solo mezzi di misurazione della tensione in uscita 81.

Il controllore 8 comprende, non rappresentati nelle figure, almeno una unità logica di controllo costituita preferibilmente da un MCU (micro controller unit), un CPLD (Complex Programmable Logic Device) o un FPGA (Field Programmable Gate Array), uno o più alimentatori di tipo switching per l’alimentazione del microcontrollore, stadi di potenza adatti al pilotaggio dei componenti elettronici del dispositivi, uno o più alimentatori di tipo switching per l’alimentazione dei suddetti stadi di potenza. Più specificamente sono presenti stadi di potenza per il controllo dei mezzi di bypass dei moduli di ingresso 2, 2a e del modulo di uscita 7, stadi di potenza per il controllo dei moduli di compensazione di energia reattiva 3, 3a, e stadi di potenza per il controllo dei moduli di trasformazione DC/DC 4, 4a e dei relativi mezzi di bypass 5, 5a.

Il controllore 8 comprende inoltre almeno un sensore di temperatura, non rappresentato, che permette di adottare efficaci misure in caso di rilevamento di funzionamento fuori dalle specifiche. Infatti, convenzionalmente, in caso di incendio non à ̈ possibile intervenire sui pannelli e sulla stringa con schiume estinguenti a causa dell’elevata tensione di stringa (500 – 700 Volt). Nel dispositivo della presente invenzione gli interruttori 41, 51, 41a, 51a, possono essere aperti tutti contemporaneamente per separare la stringa dai pannelli e poter quindi intervenire su quest’ultimi con schiume estinguenti. Il comando di apertura dei suddetti interruttori può venire dalla logica di controllo del controllore 8 in seguito alle informazioni ricevute dal sensore di temperatura, oppure, sempre tramite il controllore 8 può essere comandata dall’esterno tramite un pulsante di emergenza o un controllo remoto che tolgono alimentazione al controllore 8.

Il dispositivo sopra descritto viene vantaggiosamente utilizzato secondo il metodo della presente invenzione per ottimizzare la produzione di energia di impianti fotovoltaici, ed in particolare di una stringa di generatori.

Il metodo della presente invenzione prevede che in base al rilevamento delle tensioni e / o correnti in ingresso ed in uscita dal dispositivo venga definita una modalità di ottimizzazione della potenza prodotta da pannelli fotovoltaici associati al dispositivo scegliendo tale modalità di ottimizzazione tra:

- il bypass del pannello tramite mezzi di bypass di ingresso 2, 2a,

- la compensazione reattiva tramite attivazione e pilotaggio del modulo di compensazione di energia reattiva 3, 3a,

- l’attivazione di un algoritmo di MPPT implementato tramite un modulo di trasformazione DC/DC 4, 4a, di tipo buck,

- una combinazione delle suddette tecniche.

Il metodo sopra delineato à ̈ attuato grazie all’implementazione, nel controllore 8, di un algoritmo di controllo che prevede una procedura principale di coordinamento e cinque sottosezioni: una procedura di inizializzazione, una procedura di rilevamento della condizione attuale, una procedura di gestione dei moduli di compensazione di energia reattiva 3, 3a, una procedura di gestione dei moduli MPPT ed in particolare dei moduli di trasformazione DC/DC 4, 4a, una procedura di gestione dei moduli di ingresso 2, 2a, e di uscita 7 ed in particolare dei relativi mezzi di bypass.

Con riferimento a fig. 6 la procedura principale di coordinamento, 200, prevede all’avvio, l’esecuzione della procedura di inizializzazione, 201, in cui viene attivato l’hardware e ne viene verificato il corretto funzionamento. L’inizializzazione à ̈ seguita dal rilevamento delle tensioni e / o correnti in ingresso ed uscita, 202. In una forma realizzativa preferita del metodo vengono rilevate esclusivamente le tensioni in ingresso, Vi ed in uscita, Vo. A seguito di determinate condizioni delle tensioni in ingresso ed in uscita vengono attivati i mezzi di bypass dei moduli di ingresso 2, 2a, e di uscita 7. Successivamente al primo rilevamento di tensioni 201 vengono attivati i mezzi di bypass 5, 5a degli stadi di trasformazione DC/DC 4, 4a, chiudendo i relativi commutatori, fase 203, dopodiché viene eseguito un nuovo rilevamento di tensioni in ingresso e uscita, 204. In base ai risultati della nuova lettura avviene l’attivazione, 205, della procedura di gestione dei moduli di compensazione di energia reattiva 3, 3a, oppure l’attivazione, 206 della procedura di gestione dei moduli MPPT. Più specificamente, la tensione di ingresso Vi viene confrontata con una tensione di soglia, Vth, 207, e se à ̈ maggiore di quest’ultima viene attivata la procedura di gestione dei moduli di compensazione di energia reattiva 3, 3a, altrimenti viene attivata la procedura di gestione dei moduli MPPT disattivando, ovviamente, i relativi mezzi di bypass 5, 5a.

Con riferimento a fig.7, la procedura di gestione di un modulo MPPT, 300, prevede il rilevamento della tensione in ingresso Vi e della corrente in ingresso, Ii, fase 301. Con i dati rilevati si verifica l’esistenza di una condizione di uscita dalla procedura, 302, verificando in particolare se la tensione di ingresso Vi à ̈ uguale alla tensione in uscita Vo, 303. Se la tensione di ingresso Vi à ̈ uguale, a meno di uno scarto, alla tensione di uscita Vo, l’esecuzione della procedura di gestione MPPT non à ̈ necessaria in quanto tale tecnica di ottimizzazione non à ̈ da adottare. Sebbene una verifica delle tensioni sia fatta per entrare nella procedura, una verifica analoga deve essere fatta anche per definire la condizione di uscita ed evitare fenomeni di live-lock. Successivamente viene calcolata la potenza in ingresso P, 304. Successivamente, fase 305, la potenza calcolata P e la tensione in ingresso Vi vengono confrontati con i rispettivi valori calcolati, rilevati e memorizzati in un precedente ciclo della procedura 300 ed in base a tali confronti viene definita la modalità di pilotaggio del modulo di trasformazione DC/DC 4, 4a con tecnologia buck. Il ciclo si ripete fino al verificarsi della condizione di uscita.

Uno stesso tipo di algoritmo à ̈ eseguito nella procedura di gestione del modulo di compensazione di energia reattiva 3, 3a prevedendo soglie e scarti diversi.

Una opportuna definizione delle soglie e degli scarti sia della procedura principale di coordinamento che delle sottosezioni permette anche la contemporanea attuazione delle diverse tecniche di ottimizzazione sopra esposte.

La presenza di almeno due generatori G, Ga, associati ad uno stesso dispositivo 100 permette di semplificare la definizione delle soglie in quanto dimezza l’incidenza degli errori di misura. Ovviamente, tale layout ha anche ovvi vantaggi economici dovuti alla riduzione del numero di dispositivi 100 necessari una volta fissato il numero di generatori G per stringa.

Certamente i vantaggi del dispositivo e metodo dell’invenzione rimangono inalterati anche i presenza di modifiche o varianti rispetto a quanto descritto.

Ad esempio, in un metodo secondo l’invenzione le funzioni di ricerca del punto di massima potenza attuate nella procedura di gestione dei moduli MPPT possono essere realizzate anche tramite la sola misura delle tensioni. Inoltre, tali funzioni potrebbero anche essere eseguite con l’ausilio e l’interazione di una intelligenza esterna centralizzata in grado di coordinare il funzionamento di una pluralità di dispositivi 100 secondo l’invenzione.

Ulteriori modifiche e varianti possono certamente riguardare i componenti elettronici utilizzati i quali saranno vantaggiosamente componenti che garantiscono alta efficienza e perdite limitate quali condensatori low-ESR, induttori con RS limitata, ecc.

Queste ed altre modifiche e varianti possono essere apportate al dispositivo e relativo metodo dell’invenzione senza uscire dall’ambito di protezione definito dalle rivendicazioni seguenti.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo (100, 100’) per la ottimizzazione dell’energia prodotta da generatori elettrici in corrente continua (G) collegati in serie a formare almeno una stringa (S) di generatori connessa ad almeno un inverter (I), detto dispositivo (100, 100’) essendo del tipo che viene interposto tra detti generatori (G) e detto inverter (I) e comprendente un modulo di trasformazione DC/DC idoneo ad attuare un algoritmo di MPPT, caratterizzato dal fatto di prevedere: - almeno un modulo di ingresso (2) comprendente mezzi di bypass di ingresso adatti a mettere in cortocircuito detto generatore (G) escludendolo dal resto della stringa (S) e prevenendone la polarizzazione inversa; - almeno un modulo di compensazione di energia reattiva (3) comprendente almeno un componente a reattanza variabile; - almeno un modulo di trasformazione DC/DC (4) con tecnologia switching adatto ad implementare un algoritmo di ricerca del punto di massima potenza; - mezzi di bypass (5) del modulo di trasformazione DC/DC associati a detto almeno un modulo di trasformazione DC/DC (4) per permetterne il bypass; - mezzi di misurazione della tensione e / o corrente di ingresso (1) a detto dispositivo e mezzi di misurazione della tensione e / o corrente in uscita (8) da detto dispositivo; - un’unità di controllo (9) adatta a controllare i suddetti moduli (2, 3, 4) e mezzi di bypass (5) in funzione almeno della corrente e / o tensione in ingresso e uscita per ottimizzare la resa di potenza di detta stringa (S).
2. 2. Dispositivo (100, 100’) secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto di prevedere un modulo di uscita (7) comprendente mezzi di bypass di uscita adatti ad escludere il generatore (G) e detto modulo di trasformazione DC/DC (4) ad esso associato dal resto di detta stringa (S).
3. 3. Dispositivo (100, 100’) secondo la rivendicazione 1 o 2 caratterizzato dal fatto che detto almeno un componente a reattanza variabile comprende almeno un elemento capacitivo (31) ed almeno un commutatore elettronico (32) connessi in parallelo al relativo generatore (G).
4. 4. Dispositivo (100, 100’) secondo la rivendicazione 1 o 2 caratterizzato dal fatto che detto almeno un componente a reattanza variabile comprende almeno un induttore connesso in serie al relativo generatore ed almeno un commutatore elettronico connesso in parallelo al relativo generatore.
5. 5. Dispositivo (100’) secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di comprendere: - almeno due di detti moduli di ingresso (2, 2a) ad ognuno dei quali à ̈ connesso un relativo generatore (G, Ga); - un modulo di compensazione di energia reattiva (3, 3a) per ogni generatore (G, Ga) connesso a detto dispositivo (100’); - un modulo di trasformazione DC/DC (4, 4a) per ogni generatore (G, Ga) connesso a detto dispositivo (100’), operante con tecnologia switching di tipo buck; - mezzi di bypass (5, 5a) di ognuno di detti moduli di trasformazione DC/DC (4, 4a); - mezzi di disaccoppiamento in uscita idonei a ricevere in ingresso detti due moduli di trasformazione DC/DC (4 ,4a) ed a restituire in uscita una singola uscita in tensione.
6. 6. Dispositivo (100, 100’) secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detta unità di controllo (9) comprende una logica di controllo programmabile, o più alimentatori di tipo switching per l’alimentazione di detta logica di controllo, stadi di potenza adatti al pilotaggio dei componenti elettronici di detto dispositivo, uno o più alimentatori di tipo switching per l’alimentazione di detti stadi di potenza.
7. 7. Dispositivo (100, 100’) secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detti mezzi di bypass di ingresso (2, 2a) e di uscita (7) comprendono ognuno almeno un diodo (21, 21a, 71) ed almeno un transistor (22, 22a, 72).
8. 8. Dispositivo (100, 100’) secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che ognuno di detti almeno un modulo di trasformazione DC/DC (4, 4a) e di detti relativi mezzi di bypass (5, 5a) comprende almeno un interruttore (41, 41a, 51, 51a) collegato in serie al relativo generatore (G, Ga) in modo tale che l’apertura contemporanea di detti interruttori (41, 41a, 51, 51a) separa i generatori (G, Ga) associati a detto dispositivo (100, 100’) dal resto della stringa (S).
9. 9. Metodo per la ottimizzazione dell’energia prodotta da generatori elettrici in corrente continua (G, Ga) collegati in serie a formare almeno una stringa (S) di generatori connessa ad almeno un inverter (I), ed in cui dispositivi di ottimizzazione (100, 100’) sono disposti tra ognuno di detti generatori (G, Ga) e detto inverter (I) caratterizzato dal fatto che ognuno di detti dispositivi (100, 100’) prevede: - almeno un modulo di ingresso (2, 2a) comprendente mezzi di bypass di ingresso adatti a mettere in cortocircuito detto generatore (G, Ga) escludendolo dal resto della stringa (S) e prevenendone la polarizzazione inversa; - almeno un modulo di compensazione di energia reattiva (3, 3a) comprendente almeno un componente a reattanza variabile; - almeno un modulo di trasformazione DC/DC (4, 4a) con tecnologia switching adatto ad implementare un algoritmo di ricerca del punto di massima potenza; - mezzi di bypass (5, 5a) del modulo di trasformazione DC/DC associati ad ognuno di detti moduli di trasformazione DC/DC (4, 4a) per permetterne il bypass; - mezzi di misurazione della tensione e / o corrente di ingresso (1) a detto dispositivo e mezzi di misurazione della tensione e / o corrente in uscita (8) da detta dispositivo; ed in cui in base al rilevamento delle tensioni e / o correnti in ingresso ed in uscita dal dispositivo viene definita una modalità di ottimizzazione della potenza prodotta da detti generatori (G) associati al dispositivo scegliendo tale modalità di ottimizzazione tra: - il bypass del pannello (G, Ga) tramite mezzi di bypass di ingresso (2, 2a), - la compensazione reattiva tramite opportuno pilotaggio di detto modulo di compensazione di energia reattiva (3, 3a), - l’attivazione di un algoritmo di MPPT implementato tramite detto modulo di trasformazione DC/DC (4, 4a), con tecnologia switching, - una combinazione delle suddette tecniche.
10. 10. Metodo secondo la rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che, a seguito del verificarsi di determinate condizioni di tensioni e / o correnti in ingresso ed uscita, detti moduli di trasformazione DC/DC (4, 4a) vengono esclusi tramite azionamento dei relativi mezzi di bypass (5, 5a), e l’ottimizzazione della potenza prodotta da pannelli (G, Ga) fotovoltaici associati viene eseguita comandando opportunamente detto modulo di compensazione di energia reattiva (3, 3a).
11. 11. Metodo secondo la rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che detto modulo di compensazione di energia reattiva (3, 3a) viene comandato variando i valori della relativa reattanza in funzione di detti valori di tensione e / o corrente in ingresso ed uscita.