WO2017152245A1 - Controlador com arranjo de placa solar e aerogerador, para sistema híbrido de monitoração e direcionamento de energia - Google Patents

Controlador com arranjo de placa solar e aerogerador, para sistema híbrido de monitoração e direcionamento de energia Download PDF

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    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Definitions

  • This specification relates to the patent application for an arrangement developed from a controller which is interconnected to both a solar plate and a wind turbine (wind turbine) coupled to an electric motor.
  • the controller hybrid, monitors and manages the system by directing the energy obtained from the photovoltaic panels, the wind turbine and the distribution grid to an inverter which, in turn, equalizes it at a voltage and frequency suitable for consumption in a home. surplus to be sent to the mains.
  • the controller monitors the wind speed at the system installation site, thus sending a signal to start the electric motor (only for initial thrust) coupled to the wind turbine rotor when needed (in case of low wind speed) maintaining wind uptake. point of greater efficiency for the system operation.
  • power generation systems may have characteristics of a hybrid nature, but the management, for example, of the captured solar energy is done independently of the management of the captured wind energy. Equipment is usually required to manage each of these systems, storing and utilizing these power sources.
  • the arrangement in question exactly adds to a single controller, with dedicated electronic programming, the monitoring of the energy initially captured by solar plates and the energy captured by a wind turbine.
  • the system is relatively simple and easy to install, storable due to the hybrid system and to distribute it rationally and efficiently.
  • One of its main components is the controller, which receives and directs through electro-electronic switching the electric energy generated in the whole system, both by the wind generator and by the photovoltaic plates and / or by the electric network itself.
  • Another feature of its own was the introduction of an electric motor, which allows the wind rotor to be driven mechanically from the initial thrust so that the latter rotates properly, as well as additional thrusts. to maintain wind catchment (thus being an ideal system for urban centers where winds often weaken or are turbulent).
  • the solar energy system and / or the power grid can be used to increase the efficiency of wind turbine power generation (main power supply of the electric motor), and this electric drive and energy balancing function is also managed by the controller. thus gain hybrid controller configuration.
  • the attached figure 1 shows the state-of-the-art plant, cited by patent document BR 10 2010 014531 -6.
  • FIG 2 Schematic view showing the interconnection between the controller, the solar plate, the wind turbine stator and the electric motor.
  • the energy generated by the solar plate and wind turbine will be directed to the controller which, in turn, sends it to the grid tie inverter and / or directed to storage in a power accumulator.
  • the hybrid controller has two models, one called integrated having internal grid tie, for countries where the controller has already been approved for use and another for third party grid tie inverters, for countries where this controller function has not yet been approved.
  • the controller drives the wind turbine rotor electric motor. Through the accumulator this stored energy can return to the controller and be directed to the inverter for distribution to the home and the surplus can be injected into the power grid.
  • the hybrid controller may be powered by a battery pack (optional);
  • Figure 3 Flowchart showing the hybrid controller, receiver of solar and wind production, managing this energy to direct the electric motor to which the wind turbine rotor is coupled.
  • the controller directs the accumulated energy to the inverter. It adapts the energy obtained from the electric plates and the wind turbine (mainly) by sending it to the home's distribution board (to supply light bulbs, various appliances).
  • the "SOLAR PLATE ARRANGEMENT CONTROLLER FOR POWER-DRIVING HYBRID SYSTEM” is composed of an electronic device and / or controller with embedded system and / or hybrid controller ( 1), with dedicated logic programming integrating a power accumulator (2), said hybrid controller (1), interconnected by one of its inputs to a solar plate (3) and by its other input interconnected to the stator (4) of a wind generator (5).
  • Said wind turbine (5) comprises a rotational vertical axis (6) on which "Darrieus” type blades or blades (7) are mounted together with a double Savonuis type rotor wind turbine (8) ", forming a wind rotor for aerodynamic profile design and organic geometry, with effective optimization of the performance coefficient curve.
  • the wind turbine (5) is housed in an electric motor (9), which is interconnected to a hybrid controller output (1), which becomes hybrid (for solar, wind and electric energy management).
  • the electric motor (9) is preferably of the "Brussless” type, acting only as a booster, in low voltage direct current.
  • this set is installed mainly on the upper part of the residence (R), on the roof, slab or other similar point and, as shown by the arrows in figure 2, the solar plate (3) during the daytime. receives the luminosity and generates solar energy that is sent to the hybrid controller (1). Part of this solar energy is intended to power the electric motor (9) and part of it is directed to a grid-tie inverter (10) or stored in the energy accumulator (2), always in a cycle managed by the hybrid controller (1).
  • the energy stored with the operation of the The solar plate (3) and wind turbine (5) are stored in the energy accumulator (2) and sent from it to the inverter (10) as shown by the arrows in figure 2.
  • This (10). equalizes this energy, adjusting voltage and frequency for use in the home (R).
  • the inverter (10) also equalizes it and injects it into the proper voltage and frequency in the low voltage electrical distribution network (RE).
  • the system further provides that when the wind turbine (5) loses rotational capacity (due to low speed winds, especially in large urban centers), such a condition will be detected by the hybrid controller (1) which automatically starts the engine. (9) so that it removes the wind turbine rotor (5) from inertia leading to an adequate rotation of its rotors - blades (7), and then continues to function effectively under the action of winds regardless of the conditions. receiving the energy generated by its stator (3). When this condition is reached, the electric motor (9) is automatically switched off, thus keeping the wind turbine (5) always running, producing energy.
  • the hybrid controller (1) can be initially powered, if required for the start of the power generation system, by electric charge from an optional battery (1 1).

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  • Sustainable Energy (AREA)
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Abstract

Para funcionamento constante de sistema eólico de captação por um aerogerador (5), em conjunto com alimentação por placa solar (3). Para tanto, um controlador híbrido (1) integrado com acumulador de energia (2) é interligado à placa solar (2) e ao estator (3) do aerogerador (4), composto por lâminas captadoras (7) e rotor duplo (8) mancalizado por seu eixo ( 6) em um motor elétrico (9), ligado ao referido controlador híbrido (1). Para o uso, na parte superior da residência (R) ou outro ponto similar, a energia solar (3) é usada para alimentar o motor (9) e é dírecionada ao inversor ( 10) ou armazenada no acumulador de energia (2). A energia gerada pelo giro das lâminas (7) do rotor (8) do aerogerador (5) é também enviada ao controlador (1) e igualmente dírecionada ao inversor (10) e armazenada no acumulador de energia (2) para uso em sua totalidade no abastecimento. Com gerenciamento pelo controlador híbrido (1) toda essa energia gerada mantém-se enviada constantemente ao inversor (10) que adequa-a na voltagem e frequência para ou ser usada na residência (R) ou, se for excedente, dirigida à rede de distribuição elétrica (RE) de baixa tensão. O aerogerador (5) pode ser retirado da inércia (caso necessário) ao ser acionado pelo motor elétrico (9) - para impulsão, ligado e gerência d o pelo controlador híbrido (1).

Description

"CONTROLADOR COM ARRANJO DE PLACA SOLAR E
AEROGERADOR, PARA SISTEMA HÍBRIDO DE
MONITORAÇÃO E DIRECIONAMENTO DE ENERGIA"
1. O presente relatório descritivo refere-se ao pedido de patente de invenção para um arranjo desenvolvido a partir de um controlador, o qual é interligado tanto a uma placa solar quanto a um rotor eólico (aerogerador) acoplado a um motor elétrico. O controlador, híbrido, monitora e gerência o sistema direcionando a energia obtida dos painéis fotovoltaicos, do aerogerador e da rede de distribuição para um inversor que, por sua vez, equaliza-a em voltagem e frequência adequadas para consumo em uma residência, podendo o excedente ser enviado à rede elétrica. O controlador monitora a velocidade de vento no local de instalação do sistema, enviando assim um sinal para ligar o motor elétrico (somente para impulso inicial) acoplado ao rotor eólico do aerogerador quando necessário (em caso de baixa velocidade do vento) mantendo a captação eólica em ponto de maior eficiência para o funcionamento do sistema.
ESTADO DA TÉCNICA
2. Como é de conhecimento, sistemas de geração de energia podem apresentar características de natureza híbrida, porém o gerenciamento, por exemplo, da energia solar captada é feito de forma independente do gerenciamento da energia eólica captada. Geralmente são necessários equipamentos para gerenciar cada um desses sistemas, armazenando e utilizando essas fontes de energia.
3. Nesse sentido pode ser citada, apenas a título ilustrativo, o documento de patente BR 10 2010 014531-6, denominado "USINA EÓLICA-SOLAR", que protege um captador de vento trabalhando em uma câmara de aquecimento do ar atmosférico. Esse ar, aquecido por meio de captação solar (usando espelhos esféricos, côncavos e convexos), ao expandir-se na câmara irá fazer movimentar o captador de vento, a partir do qual será obtida a energia, transformada em corrente elétrica.
4. De qualquer forma, esses conjuntos, tanto de captação de energia a partir de placas solares quanto para a captação de energia a partir dos ventos, exigem estruturas complexas e custosas como mostra o documento de patente acima citado, o qual possui construção em forma de verdadeira usina, segundo sugere o seu próprio título.
OBJET1VO DA PATENTE
5. O arranjo em questão vem, exatamente, agregar em um único controlador, com programação eletrônica dedicada, a monitoração da energia inicialmente captada por placas solares e da energia captada por um aerogerador. O sistema é de relativa simplicidade e fácil instalação, passível de armazenar, decorrente do sistema híbrido e distribuí-la de modo racional e eficiente.
6. Um de seus principais componentes é o controlador, que recebe e direciona através de chaveamentos eletroeletrônicos a energia elétrica gerada em todo o sistema, tanto pelo gerador eólico quanto pelas placas fotovoltaicas e/ou pela própria rede elétrica. Outro recurso próprio criado foi a introdução de um motor elétrico, que permite que seja impulsionado o rotor eólico mecanicamente a partir de impulso inicial para que este último adquira rotação adequada, além de impulsos adicionais para a manutenção da captação dos ventos (sendo, portanto, um sistema ideal para centros urbanos onde os ventos muitas vezes enfraquecem ou são turbulentos). Já o sistema de energia solar e/ou a rede elétrica podem ser utilizadas para aumentar a eficiência na geração de energia do aerogerador (fonte principal de alimentação do motor elétrico), sendo essa função de acionamento elétrico e balanceamento energético também gerenciadas pelo controlador que, assim, ganha configuração de controlador híbrido.
7. A figura 1 , anexa, mostra a usina do estado da técnica, citada pelo documento de patente BR 10 2010 014531 -6.
8. As figuras a seguir, referem-se ao arranjo em questão:
9. Figura 2 - vista esquemática mostrando a interligação entre o controlador, a placa solar, o estator do aerogerador e o motor elétrico. Como se observa pelas setas, a energia gerada pela placa solar e pelo aerogerador será direcionada para o controlador que, por sua vez, envia-a para o inversor de grid tie e/ou direcionada para o armazenamento em um acumulador de energia. O controlador híbrido apresenta dois modelos, sendo um denominado integrado possuindo grid tie interno, para países onde o controlador já foi homologado para uso e outro para inversores grid tie de terceiros, para países onde esta função do controlador ainda não foi homologada. Quando necessário, o controlador aciona o motor elétrico do rotor do aerogerador. Através do acumulador essa energia armazenada pode retornar para o controlador e ser direcionada ao inversor para a distribuição para a residência e o excedente poderá ser injetado na rede elétrica. Opcionalmente, caso seja necessário para o início do funcionamento do sistema, o controlador híbrido poderá ser alimentado por caga provinda de uma bateria (opcional);
10. Figura 3 - fluxograma, mostrando o controlador híbrido, receptor da produção solar e eólica, gerenciando essa energia para direcionamento ao motor elétrico ao qual é acoplado o rotor eólico do aerogerador. O controlador direciona a energia acumulada ao inversor. Este adequa a energia obtida das placas voltaicas e do aerogerador (principalmente) enviando-a para o quadro de distribuição da residência (para alimentação de lâmpadas, aparelhos diversos).
1 1 . Em conformidade com os desenhos anexos, o "CONTROLADOR COM ARRANJO DE PLACA SOLAR E AEROGERADOR, PARA SISTEMA HÍBRIDO DE xMONITORAÇÃO E DIRECIONAMENTO DE ENERGIA", é composto a partir de um dispositivo eletrônico e/ou controlador com sistema embarcado e/ou controlador híbrido ( 1 ), com programação lógica dedicada integrando um acumulador de energia (2), dito controlador híbrido ( 1 ), interligado, por uma de suas entradas, a uma placa solar (3) e por sua outra entrada interligado ao estator (4) de um aerogerador (5). O referido aerogerador (5) é composto por um eixo vertical rotacional (6) no qual são montadas lâminas ou pás (7) do tipo "Darrieus" - captadoras de vento juntamente com uma turbina eólica dupla de rotor (8) do tipo "Savonuis" , formando um rotor eólico de desenho de perfis aerodinâmicos e geometrias orgânicas, com eficaz otimização da curva de coeficiente de desempenho. Através do seu eixo vertical rotacional (6) o rotor eólico do aerogerador (5) é mancalizado em um motor elétrico (9), por sua vez, interligado a uma saída do controlador híbrido ( 1 ) que, portanto, passa a se híbrido (para gerenciamento de energia solar, eólica e elétrica). O motor elétrico (9) é preferencialmente do tipo "Brussless" (sem escovas), funcionando apenas como impulsionador, em corrente contínua de baixa tensão.
12. Para o sistema proposto, esse conjunto é instalado principalmente na parte superior da residência (R), no telhado, laje ou em outro ponto similar e, como mostram as setas da figura 2, a placa solar (3), durante o dia recebe a luminosidade e gera energia solar que é enviada ao controlador híbrido ( 1). Uma parte dessa energia solar é destinada a alimentar o motor elétrico (9) e parte dela direcionada a um inversor grid-tie ( 10) ou armazenada no acumulador de energia (2), sempre em ciclo gerenciado pelo controlador híbrido ( 1 ).
13. Já a energia gerada pelo giro das lâminas ou pás (7) do rotor eólico do aerogerador (5), em funcionamento tanto de dia quanto à noite, obtida (pela mancalização vertical) com pouca perda energética e baixa manutenção, é também enviada ao controlador híbrido ( 1 ) o qual direciona-a ao inversor ( 10) ou armazena-a no acumulador de energia (2) para uso em sua totalidade no abastecimento. O desenho do aerogerador (5), montado no eixo vertical rotacional (6) e com parte da energia provinda do sistema solar, amortiza eventuais perdas mecânicas, elevando a eficiência da conversão da energia obtida.
14. Dessa forma, sempre em gerenciamento pelo controlador híbrido (1), a energia armazenada com o funcionamento da placa solar (3) e do aerogerador (5) é armazenada no acumulador de energia (2) e enviada deste ao inversor (10) como mostram as setas da figura 2. Este (10). por sua vez, equaliza essa energia, adequando voltagem e frequência para uso na residência (R). No caso de energia excedente, também pelo inversor ( 10) a mesma é equalizada e injetada na voltagem e frequência adequadas na rede de distribuição elétrica (RE) de baixa tensão.
15. O sistema prevê ainda que, quando o aerogerador (5) perder a capacidade de rotação (devido a ventos de baixa velocidade, especialmente nos grandes centros urbanos), tal condição será detectada pelo controlador híbrido ( 1 ) que, automaticamente aciona o motor elétrico (9) para que este retire o rotor eólico do aerogerador (5) da inércia levando-o a um giro adequado de seus rotores - lâminas (7), mantendo-se ern seguida, funcionando eficazmente sob a ação dos ventos independente das condições atmosféricas recebendo a energia gerada pelo seu estator (3). Ao se alcançar essa condição, o motor elétrico (9) é automaticamente deligado mantendo, portanto, o aerogerador (5) sempre em funcionamento, produzindo energia.
16. O controlador híbrido (1 ) pode ser inicialmente alimentado, caso seja necessário para o início do sistema de geração de energia, por carga elétrica provinda de uma bateria ( 1 1 ), opcional.

Claims

REIVINDICAÇÕES
1 - "CONTROLADOR COM ARRANJO DE PLACA SOLAR E AEROGERADOR", caracterizado por um dispositivo eletrônico dedicado/controlador computacional/controlador com sistema embarcado/controlador híbrido ( 1 ) integrando acumulador de energia (2) e que, por uma de suas entradas é interligado a uma placa solar (3) e, por sua outra entrada interligado ao estator (4) de um aerogerador (5), composto por um eixo vertical rotacional (6) receptor de lâminas ou pás (7) captadoras de vento montadas juntamente com uma turbina eólica de pás duplas (8), formando um rotor eólico mancalizado, pelo referido eixo vertical rotacional (6), em um motor elétrico (9), por sua vez é interligado a uma saída do referido controlador lógico ( 1 ), híbrido.
2 - "SISTEMA HÍBRIDO DE MONITORAÇÃO E DIRECIONAMENTO DE ENERGIA", de acordo com o arranjo da reivindicação 1 , após o conjunto instalado na parte superior da residência (R), no telhado, laje ou em outro ponto similar, e a placa solar (3) receber a luminosidade, caracterizado pela energia solar ter uma parte direcionada a um inversor grid-tie ( 10) ou armazenada no acumulador de energia (2), sempre em ciclo gerenciado pelo controlador híbrido ( 1 ), para uso em sua totalidade no abastecimento.
3 - "SISTEMA HÍBRIDO DE MONITORAÇÃO E DIRECIONAMENTO DE ENERGIA", de acordo com reivindicações 1 e 2, caracterizado por parte da energia solar e a totalidade da energia eólica geradas, serem armazenadas no acumulador de energia (2) ou serem enviadas diretamente ao inversor ( 10) para que, por este último, sejam equalizadas voltagem e frequência para distribuição ã residência (R) e, a energia excedente, também equalizada pelo equalizada pelo inversor ( 10), ser injetada rede de distribuição elétrica (R E) de baixa tensão.
4 - "SISTEMA HÍBRIDO DE MONITORAÇÃO E DIRECIONAMENTO DE ENERGIA", de acordo com reivindicações 1 , 2 e 3, em caso de perda de capacidade rotação do aerogerador (5) (devido a ventos de baixa velocidade, especialmente nos grandes centros urbanos), caracterizado por tal condição ser detectada pelo controlador híbrido ( 1) acionando automaticamente o motor elétrico (9) retirando o rotor eólico e suas lâminas (7) do estado de inércia para o seu funcionamento, desligando o referido motor elétrico (9) ao se alcançar o giro adequado.
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