ITVA20010022A1

ITVA20010022A1 - Invertitore statico di tensione per sistema a batterie

Info

Publication number: ITVA20010022A1
Application number: IT2001VA000022A
Authority: IT
Inventors: Placido Maria Spaziante; Krisada Kampanatsanyakorn; Andrea Zocchi
Original assignee: Chemieco Srl
Priority date: 2001-07-11
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2003-01-11
Also published as: US20050007797A1; BR0205733A; WO2003007464A2; KR20030029958A; ZA200301352B; WO2003007464A3; US7046531B2; AU2002354596A1; CN1526193A; EP1407534A2

Description

“INVERTITORE STATICO DI TENSIONE PER SISTEMA A BATTERIE”

La presente invenzione concerne i sistemi di immagazzinamento di energia in batterie di accumulo o di generazione di energia in batterie di celle a combustibile impieganti invertitori statici di tensione per convertire l’energia elettrica caricata o generata nelle batterie da corrente continua a corrente alternata in fase di erogazione.

Nello sfruttamento di fonti di energia rinnovabili, nel “load-leveling” in reti di generazione e distribuzione di energia elettrica, in veicoli a trazione elettrica e in sistemi simili, impieganti batterie di accumulo o batterie primarie di celle a combustibile di generazione di energia da rendere disponibile a carichi elettrici funzionanti in corrente alternata, si impiegano comunemente invertitori statici di tensione per trasformare energia elettrica a corrente continua in energia elettrica a corrente alternata ad una certa tensione (ad esempio 240 VAC).

La possibilità di convertire la tensione continua fornita da batterie di celle elementari siano esse secondarie o di accumulo o primarie ad esempio a combustibile, in una tensione alternata con caratteristiche di tensione e frequenza sostanzialmente simili a quelle delle normali reti di, distribuzione dell’energia, è un requisito importante e spesso necessario nel caso ad esempio di impianti di emergenza in caso di black out e generalmente per sistemi “grid connectable”.

Lo schema funzionale di un sistema di batterie ricaricabili, nel caso illustrato batterie redox al vanadio, è mostrato in Fig. 1.

Naturalmente, come risulterà ovvio al lettore, lo schema è dal punto di vista funzionale dell’invertitore immutato anche nel caso in cui al posto di una batteria di accumulo redox al vanadio si impieghi una batteria di accumulo di altro tipo o una batteria di celle primarie a combustibile.

Nel caso di impianti a pannelli fotovoltaici non connessi in rete, è indispensabile l’impiego di batterie di accumulo e in questi casi le batterie redox offrono indubbi vantaggi rispetto ad altri tipi di batterie secondarie.

Tra le batterie redox le batterie al vanadio cioè impieganti coppie redox vanadio-vanadio sia nell’ elettrolita negativo che nell’elettrolita positivo si dimostrano particolarmente vantaggiose.

L’articolo “Evaluation of control maintaining electric power quality by use of rechargeable battery System”, di Daiichi Kaisuka and Tetsuo Sasaki IEEE 2000, analizza e descrive le prestazioni di un impianto di accumulo di energia impiegante batterie redox al vanadio.

D’altro canto esiste una nutrita letteratura sull’argomento delle batterie redox c in particolare delle batterie redox al vanadio e una reiterata descrizione delle peculiarità e vantaggi di tali batterie rispetto ad altri tipi non sembra necessaria per illustrare la presente invenzione in modo compiuto.

Tra i numerosi aspetti vantaggiosi delle batterie redox, si può menzionare la loro abilità ad essere caricate anche a tensioni di carica molto differenti tra loro, utilizzando a tal scopo prese intermedie della serie elettrica costituita dalla catena di celle elementari che compongono la batteria e selezionando di volta in volta la presa intermedia a cui applicare la tensione disponibile di carica. Ciò è possibile in quanto, a differenza di altri tipi di batterie di accumulo, nei sistemi a batterie redox, la carica è immagazzinata negli elettroliti circolanti attraverso le celle e che sono contenuti in due serbatoi separati. La batteria rappresenta esclusivamente il dispositivo elettrochimico di trasformazione dell’energia da elettrica a chimica e viceversa e a tal scopo impiega elettrodi che non subiscono trasformazioni chimiche durante i processi di carica e di scarica.

I pannelli fotovoltaici generano quando vengono irradiati da una sorgente luminosa una corrente elettrica che può alimentare un carico elettrico, ma qualora ai capi della cella fotovoltaica risulti applicata una controtensione superiore ad un certo valore, la corrente cessa.

La caratteristica tensione-corrente di un pannello fotovoltaico ha un tipico andamento “a ginocchio”, l’area racchiusa tra il profilo -della curva e l’ascissa (tensione) e l’ordinata (corrente) rappresenta la zona entro la quale è erogabile potenza elettrica. Da ciò è evidente che ad una tensione di erogazione prossima al punto di intersezione della curva caratteristica con l’ascissa, la potenza erogata (il rettangolo con lato lungo parallelo all’ascissa) risulta molto piccola così come diventa altrettanto piccola quando la tensione di erogazione è molto bassa.

In pratica esiste un valore intermedio della tensione di erogazione al quale corrisponde l’area massima del relativo rettangolo sotteso nella zona di funzionamento della caratteristica, cioè la massima potenza ricavabile dal pannello.

Dato che la caratteristica tensione-corrente di un pannello solare cambia in funzione dell’ irraggiamento, dando luogo in pratica ad una famiglia di curve caratteristiche più o meno concentriche in funzione dell’irraggiamento, la potenza massima che può essere ricavata dal pannello può variare repentinamente al variare delle condizioni di irraggiamento.

Essendo ovviamente auspicabile di fruire della massima potenza disponibile per caricare la batteria o le batterie di accumulo, ciò è reso possibile in modo estremamente conveniente impiegando una batteria redox fornita di una pluralità di prese intermedie, su una delle quali, corrispondente ad una tensione di batteria pressoché coincidente con la tensione di picco della caratteristica tensione-corrente del pannello alle correnti condizioni di irraggiamento, commutare automaticamente un terminale del pannello fotovoltaico di carica. Esistono dispositivi automatici di commutazione in funzione della condizione di irraggiamento, noti con la denominazione MPPT, acronimo di Maximum Power Point Tracker, che implementano questa ottimizzazione delle condizioni di carica della batteria redox da pannelli fotovoltaici.

E’ evidente come un tale sistema risulti assai più conveniente rispetto all’approccio alternativo di impiegare un apposito convertitore DC-DC in grado di assorbire energia dal pannello fotovoltaico ad una tensione appropriata alle condizioni di irraggiamento e di elevarla o ridurla fino ad un certo valore nominale prestabilito di tensione di uscita adatto a caricare la batteria o le batterie di accumulo.

Anche sul versante dell’erogazione verso carichi elettrici che possono essere di diversa natura, le batterie redox hanno il vantaggio di poter supportare situazioni che comportino ad esempio l’erogazione da un certo numero di celle elementari e quindi ad una corrispondente tensione continua, di una corrente anche di ordini di grandezza superiore rispetto a quella erogata da un altro gruppo di celle anche della stessa batteria ad una stessa 1 1 LU6 MlQt

tensione o a una tensione diversa, ovviamente attraverso distinte coppie di prese intermedie, in virtù delle stesse peculiarità delle batterie redox già ricordate nel considerare gli aspetti di ricarica.

Una batteria può quindi essere per certi versi equiparata, in termini funzionali, ad un “autotrasformatorc” o ad un trasformatore elettrico, dove invece delle spire vi sono delle celle elementari elettricamente in serie tra loro ed in cui anziché energia magnetica è in gioco energia chimica.

Pertanto, nel prosieguo della presente descrizione, si potrà far riferimento a sistemi di batterie di accumulo di tipo redox per la particolare rilevanza che queste hanno in molteplici ed importanti campi di applicazione, pur non escludendo Γ applicabilità di quanto descritto anche ài caso in cui anziché batterie redox vi siano batterie di altro tipo e in particolare di batterie di celle primarie a combustibile.

L’invertitore statico di tensione elettrica assume un peso importante nel determinare l’efficienza energetica dell’intero sistema di sfruttamento delle capacità di accumulo o di generazione di energia delle batterie usate.

Comunemente l’efficienza degli invertitori va da un massimo di circa 94% a pieno carico e scende considerevolmente a bassi livelli di carico fino a 60%.

Come è ben noto, gli invertitori statici di tensione impiegano interruttori di potenza sottoforma di tiristori (SCR) o transistori bipolari a giunzione (BJT) o transistori ad effetto di campo (MOS), funzionanti come interruttori statici su reti a corrente continua, realizzando dispositivi che commutano periodicamente i collegamenti tra l’alimentazione ed il carico così da invertire le polarità. In tal modo il carico viene alimentato da una tensione alternata, la cui frequenza dipenderà da quella in cui si comanda la commutazione degli interruttori di potenza. La tensione alternata così ottenuta è generalmente una tensione ad onda quadra, di ampiezza sostanzialmente uguale al valore della tensione continua della sorgente di tensione costituita dalla batteria e con adatti accorgimenti circuitali oppure mediante l’aggiunta di filtri in uscita è possibile ottenere una tensione di uscita di forma pressoché sinusoidale.

Sono note numerose tipiche topologie circuitali di invertitori di potenza, ciascuna ampiamente trattata nella letteratura tecnica pertinente.

L’invertitore a controfase, l’invertitore a ponte sono topologie circuitali ben note ad ogni tecnico, comunemente impieganti induttanze'· di carico e/o trasformatori e condensatori di spegnimento alternatamente coordinato tra loro dei distinti interruttori di potenza più comunemente costituiti da tiristori.

Sono altresì noti invertitori con uscita sinusoidale dai quali è ottenibile una forma d’onda di tensione di uscita in buona approssimazione coincidente con la sinusoide. L’invertitore dì questo tipo può essere lo stesso invertitore a ponte impiegante induttanze e condensatori in cui il carico risulta inserito in serie a uno dei condensatori. Accordando l’induttanza del carico e altre eventuali impedenze in serie con la capacità del condensatore per la frequenza di uscita desiderata, è possibile ottenere una forma d’onda di uscita praticamente sinusoidale.

Impiegando batterie come sorgenti di energia elettrica, la regolazione di una tensione alternata all’uscita dell’invertitore può essere attuata mediante sistemi normalmente utilizzati per regolare tensioni alternate, come ad esempio autotrasformatori a contatti striscianti, regolatori a ferro saturo e simili.

Indifferentemente dal tipo di batteria usata, limpianto di accumulo o di generazione in celle primarie prevede l’impiego di batterie multicelle, cioè costituite da un numero considerevole di celle elementari elettricamente in serie, o anche una pluralità di batterie multicella, elettricamente col legate secondo consueti schemi di collegamento serie-parallelo, adeguati a garantire una capacità di erogazione istantanea di potenza elettrica ad una certa tensione di erogazione.

In fase di ricarica delle batterie ad accumulo, lo schema di collegamento alla sorgente di energia elettrica a corrente continua di ricarica può come anzidetto anche essere diverso dallo schema elettrico della fase di scarica, potendo implementare in modo automatico diverse configurazioni mediante interruttori e/o selettori di configurazione.

Il pilotaggio in commutazione del trasformatore ovvero dell’induttanza del circuito di un invertitore di tipo tradizionale determina condizioni di funzionamento particolarmente gravose per gli interruttori di potenza siano essi SCR, BJT o MOS che devono essere minuziosamente controllati per evitarne la rottura, funzioni che sono comunemente assolte da speciali circuiti di protezione e di controllo dell’accensione dei transistori di potenza.

11 trasformatore e/o gli induttori comunemente impiegati negli invertitori sono peraltro essi stessi causa di perdite di energia oltre ad essere relativamente costosi per le peculiari caratteristiche che devono possedere.

Nel caso in cui occorra fornire un’uscita con tensione sostanzialmente di forma sinusoidale, il costo dell’invertitore aumenta considerevolmente a causa della maggiore complessità necessaria per assicurare una frequenza precisa e sufficientemente costante ed eventualmente anche per filtrare la tensione di uscita.

E’ stato ora trovato e costituisce l’oggetto della presente invenzione un nuovo metodo e relativo invertitore sostanzialmente privo di induttore (o trasformatore) e di condensatori di spegnimento in grado di assicurare un rendimento più elevato degli invertitori noti, di peso marcatamente ridotto e straordinariamente adatto per convertire energia elettrica a corrente continua tratta da una batteria composta da un numero considerevole di celle elementari elettricamente in serie tra loro, in energia elettrica a corrente alternata ad una certa tensione con forma d’onda sostanzialmente sinusoidale e frequenza precisamente stabilita da un circuito di controllo c pilotaggio degli interruttori di potenza.

Pur rimanendo una valida alternativa agli invertitori noti in molteplici situazioni applicative, l’invertitore dell’ invenzione è particolarmente adatto ad essere impiegato in un sistema a batterie Redox o in un sistema a batterie di celle primarie a combustibile o anche di tipo fotovoltaico.

Secondo un primo aspetto dell’invenzione, il nuovo metodo per fornire un’uscita di potenza elettrica ad una certa tensione alternata a frequenza esattamente prestabilita da un sistema di immagazzinamento di energia in batterie di accumulo o da un sistema di generazione di energia elettrica in batterie di celle primarie a combustibile comprendente almeno una batteria composta da una pluralità di celle elementari elettricamente in serie tra loro, si caratterizza nel comprendere:

procurare un numero di celle elementari elettricamente in serie e stabilire una pluralità di N prese intermedie lungo detta serie di sorgenti di corrente continua tali che il numero di celle elementari comprese tra una certa presa intermedia e un’altra presa intermedia ad essa adiacente o un terminale di detta serie corrisponda all’ ampiezza nel rispettivo intervallo di fase di un numero N di fasi di discretizzazione della forma d’onda di detta tensione alternata in un quadrante;

provvedere un numero N di interruttori di potenza ciascuno collegante una rispettiva presa intermedia e un primo terminale della serie elettrica di celle elementari ad un nodo circuitale comune di una prima polarità;

accoppiare detto nodo circuitale comune di detta prima polarità e Γ altro terminale della serie elettrica di celle elementari di polarità opposta a detta prima polarità a rispettivi nodi di uno stadio di uscita a ponte composto da almeno quattro interruttori di potenza controllati a coppie, gli altri due nodi di detto stadio a ponte costituenti l’uscita di potenza a tensione alternata;

commutare sequenzialmente e ciclicamente in modo continuo un interruttore alla volta di detti N interruttori, ciascuno per un intervallo di tempo corrispondente a 1/(4N) il periodo dell’uscita, invertendo i percorsi di corrente attraverso lo stadio a ponte allo scadere di ciascun semi periodo.

In pratica l’invertitore delPinvenzione non richiede l’impiego di induttanze e condensatori bensì di uno schieramento di interruttori di potenza e di un ponte di uscita di inversione del percorso di corrente (cioè di polarità) il cui controllo è operato essenzialmente pilotando gli interruttori dì potenza mediante impulsi di comando derivati da un segnale di orologio (clock).

Rispetto ad un terminale di una certa polarità della catena di celle elementari elettricamente in serie tra loro, gli N interruttori, con la loro attivazione sequenziale, collegano al nodo comune un numero sequenzialmente e ciclicamente additivo e sottrattivo di celle elementari, discretizzando in tal modo una semionda di tensione che può comunemente essere praticamente sinusoidale sul un nodo circuitale comune di polarità opposta a quella del terminale di riferimento. L’inversione di polarità della successione di semionde è attuata commutando i percorsi di uscita attraverso il ponte di interruttori di potenza allo scadere di ciascun semiperiodo della frequenza della tensione alternata di uscita così prodotta.

Il bus di uscita del circuito di controllo e pilotaggio dello schieramento di N interruttori di potenza avrà, ad ogni istante, un solo filo degli N fili che lo compongono in stato logico attivo, ad esempio ad “1”, mentre tutti gli altri N-l fili saranno in stato logico disattivo, ad esempio a “0”. In fase di funzionamento dell’invertitore, lo stato logico attivo passerà sequenzialmente e ciclicamente in modo continuo da un filo all’altro continuando a ripercorrere lo schema delle N commutazioni di fase in avanti e all’ indietro, in modo continuo.

In pratica sul nodo comune del circuito, riferito al potenziale del nodo terminale della serie di celle elementari di riferimento, si produce una serie ininterrotta di semionde, ciascuna prodotta da un ciclo completo di andataritorno di commutazioni di fase ad uno stato logico attivo degli N fili del bus di controllo dello schieramento di N interruttori di potenza.

Lo stesso circuito di controllo e pilotaggio avrà un secondo bus di uscita a quattro fili nel caso di un solo ponte di uscita per generare una tensione alternata monofase, di cui ad ogni istante due fili sono in uno stato logico attivo e due in uno stato logico disattivo. Allo scadere di ciascun scmiperiodo della frequenza stabilita della tensione alternata di uscita, lo stato logico delle due coppie di fili di controllo si inverte, invertendo i percorsi di corrente di uscita e quindi la polarità della semionda successiva rispetto a quella della semionda appena conclusa.

Ne risulta un’uscita di tensione alternata, ad esempio di forma pressoché sinusoidale il cui contenuto di armoniche può essere ridotto fino a renderlo trascurabile, discretizzando in maniera sempre più fine la sinusoide ovvero aumentando il numero N di prese intermedie e dei rispettivi interruttori di potenza.

Un aspetto peculiare di sinergismo quanto mai efficace tra linvertitore della presente invenzione e un tipico impianto a pannelli fotovoltaici con batteria di accumulo di tipo redox merita essere rimarcato.

Le stesse prese intermedie attraverso le quali si realizza l’invertitore dell’invenzione, possono essere utilizzate da un sistema MPPT per ottimizzare lo sfruttamento della potenza erogabile dai pannelli fotovoltaici.

In pratica potendo stabilire il numero di celle elementari sequenzialmente collegabili all’uscita per fornire una tensione sinusoidale di valore desiderato, l’assieme batteria redox-invertitore è in grado di erogare energia elettrica a tensione alternata a frequenza perfettamente prefissata irrispettivamente dalla condizioni di carico, da una sorgente DC relativamente a bassa tensione rappresentata dai pannelli fotovoltaici senza impiego di trasformatori e/o induttori, con un rendimento energetico di conversione dell’energia solare in energia elettrica a tensione alternata straordinariamente elevato.

I diversi aspetti e vantaggi dell’invenzione risulteranno ancor più evidenti attraverso la seguente descrizione dettagliata di una forma di realizzazione e facendo riferimento ai disegni allegati, in cui:

la Figura 1 mostra uno schema di impianto a batteria impiegante un invertitore per erogare una tensione alternata di valore e frequenza prestabilita;

la Figura 2 è uno schema funzionale dell’ invertitore dell’invenzione; la Figura 3 illustra in modo grafico il modo di funzionamento dell invertitore dell ’ invenzione;

la Figura 4 è uno schema finale dell’invertitore dell’invenzione con una diversa organizzazione delle prese intermedie;

la Figura 5 mostra uno schema di principio di un impianto a pannelli fotovoltaici secondo la presente invenzione;

le Figure 6a e 6b pongono a confronto un autotrasformatore per correnti alternate e un autotrasformatore a batteria di celle- per correnti continue;

le Figure 7a e 7b pongono a confronto un trasformatore per correnti alternate e un trasformatore a batteria di celle per correnti continue.

Con riferimento alla Fig. 2, le diverse prese intermedie della catena di celle elementari in serie sono stabilite materialmente impiegando un numero N=12 di batterie, B1, B2, ... B11 , B12, ciascuna composta dal numero indicato di celle elementari (cells) tale da corrispondere, nell’esempio considerato, al valore della funzione trigonometrica del seno attraverso il primo quadrante.

Nell’esempio illustrato, la prima batteria è composta da 34 celle, la seconda batteria da 32 celle, la terza da 30 e così via fino ad arrivare alla dodicesima cella composta da sole 2 celle elementari.

Ad ogni presa intermedia di questa serie elettrica di sorgenti di corrente continua con tensione variabile secondo la legge trigonometrica del seno del primo quadrante (naturalmente il numero di celle corrisponde alla tensione ai capi della rispettiva batteria) è associato un interruttore di potenza, Q1, Q2, Q3 ... Q11, e Q12, collegantc ciascuna presa intermedia ed il terminale dell’ ultima cella dello schieramento ad un nodo comune del circuito indicato con il segno .

L’altro terminale (-) della prima batteria B1 dello schieramento costituisce il nodo circuitale identificato dal simbolo -.

Quattro interruttori di potenza Q15, Q16, Q13 e Q14 sono collegati a costituire un classico ponte, gli altri due nodi del quale costituiscono l’uscita a tensione alternata.

Un blocco di controllo e pilotaggio PULSE CONTROL AND DRIVER ha un primo bus di uscita l composto da almeno N fili, ciascuno collegato ad un terminale di controllo di un rispettivo interruttore di potenza dello schieramento di N interruttori di potenza Q1, Q2, ... Q12 ed un secondo bus II di almeno quattro fili, collegati rispettivamente ai terminali di controllo dei quattro interruttori di potenza Q13, Q14, Q15 e Q16, formanti il ponte invertitore del percorso di corrente (polarità) di uscita.

Il modo di funzionamento dell’invertitore dell’invenzione è graficamente illustrato in Fig. 3, in cui la tabella superiore mostra, per ciascuno dei dodici intervalli di tempo, ovvero delle dodici fasi di discretizzazione della funzione seno in un quadrante, lo stato logico dei dodici fili del bus di controllo I, ovvero dello stato di conduzione (1) o di interdizione (0) dei dodici interruttori di potenza Q1, Q2, Q3, ... Q11, Q12, nonché lo stato logico dei quattro fili del secondo bus II, ovvero dello stato di conduzione (1) o di interdizione (0) dei quattro interruttori di potenza Q14, Q13, Q15, Q16 dell’ invertitore di percorso di corrente di uscita a ponte.

Naturalmente l’illustrazione di Fig. 3 è idealizzata nel senso che in considerazione del fatto che a ciascuna commutazione di fase dei dodici interruttori di potenza, durante una fase di aumento del modulo della tensione alternata prodotta in uscita, le celle primarie che vengono ad essere additivamente inserite nel circuito di corrente di uscita ad ogni nuova commutazione di fase, impiegheranno un certo intervallo di tempo per fornire la loro tensione piena.

Nel caso di batterie redox al vanadio il tempo di raggiungimento della tensione di regime è dell’ordine di alcune centinaia di microsecondi e anche nel caso delle celle a combustibile tale tempo di salita a regime della tensione di cella rimane nell’ordine delle centinaia di microsecondi. In entrambi i casi tali tempi risultano compatibili con il funzionamento dell’invertitore dell’invenzione per produrre una tensione alternata di uscita ad una frequenza di 50 o di 60 Hz.

In pratica, ciò si traduce nella presenza di un modesto “ripple” alla frequenza di clock che può essere perfettamente tollerato da molti tipi di carichi elettrici o, ove vi fosse necessità, facilmente filtrato. L’altra necessità è quella di provvedere per un sufficiente margine in termini di numero di celle primarie che sono incluse nel circuito di corrente di uscita ad ogni commutazione, sufficiente ad assicurare un conetto valore RMS della tensione alternata erogata in uscita, tenuto conto dell’ampiezza del ripple nel costruire l’onda alternata di uscita.

Per ciascun intervallo di tempo di discretizzazione, nella parte inferiore della Fig. 3 è riportata una forma d’onda idealmente sinusoidale della tensione dell’uscita AC.

Naturalmente, l’organizzazione di N (nell’esempio preso in considerazione uguale a 12) prese intermedie tali da far corrispondere ad ogni intervallo di commutazione una tensione DC in uscita e data dal numero di celle elementari incluse nel circuito, al valore corrispondente alla l'unzione seno del valore di tensione di picco stabilito, può anche essere diversa da quella mostrata in Fig. 2.

In Fig. 4 un’organizzazione di prese intermedie funzionalmente, equivalente a quella dello schema della Fig. 2, è attuata impiegando cinque batterie multicella Bl, B2, B3, B4 e B5, ciascuna fornita di una o più prese intermedie tali da consentire l’inclusione selettiva nel circuito di un numero di celle di volta in volta diverso in funzione del valore della funzione sinusoidale in un quadrante.

Nello schema della Fig. 4 è contemplata la stessa discretizzazione usata nello schema della Fig. 2 e pertanto i due schemi risultano funzionalmente e organizzativamente equivalenti sotto ogni aspetto.

Peraltro, come potrà facilmente osservarsi, l’organizzazione delle prese e conseguentemente anche della sequenza di attivazione per un intervallo di discretizzazione di ciascun filo di controllo dei rispettivi interruttori di potenza Q1, Q2, Q3, ..., possono anche non essere in sequenza 'decrescente c crescente relativamente al verso di scansione delle N fasi di discretizzazione di un quadrante di funzione sinusoidale, bensì essere coordinatamente organizzati secondo un qualsivoglia “pattern” di selezione sequenziale e ciclica delle N prese intermedie sempre che ne risulti comunque una discretizzazione della funzione alternata, nell’esempio considerato sinusoidale (sia essa la funzione seno o la funzione coseno o i rispettivi reciproci o funzioni sinusoidali equivalenti ai fini del metodo della presente invenzione).

Il blocco circuitale denominato PULSE CONTROL AND DRIVER è di immediata comprensione ad un tecnico.

A parte contenere un numero di buffer di uscita coincidente al numero di fili dei due bus di uscita I c II, dimensionati in modo da soddisfare i requisiti di pilotaggio dei rispettivi interruttori di potenza, Q1 ... Q16, per quanto attiene invece al controllo logico e funzionale degli interruttori di potenza, le relative funzioni possono essere implementate sia via software che via hardware.

Nel caso di una soluzione hardware, il blocco PULSE CONTROL AND DRIVER conterrà un generatore di un segnale di clock, atto a scandire le N commutazioni di fase durante un quadrante del periodo corrispondente alla frequenza stabilita, di discretizzazione della forma d’onda desiderata, nonché, attraverso ad esempio uno o più contatori up-down, anche gli istanti di commutazione del percorso di uscita ovvero della polarità, allo scadere di ogni semiperiodo dell’onda sinusoidale.

Naturalmente nel caso di un’organizzazione sequenziale di selezione delle prese intermedie come quella esemplificata nei due schemi alternativi di Fig. 2 e di Fig. 4, il controllo dei buffer di pilotaggio dei N fili del bus I può essere attuato in modo molto semplice ed efficace mediante un registro a scorrimento.

Naturalmente, dipendentemente dal tipo di interruttori di potenza impiegati, ciascun buffer di pilotaggio potrà eventualmente integrare anche circuiti di controllo del dispositivo di potenza, atti a prevenire commutazioni spurie o a inibire commutazioni in condizioni che possono mettere a repentaglio l’integrità dell’interruttore, secondo le comuni tecniche note impiegate a tale scopo.

E’ altresì evidente come, predisponendo un sufficiente numero di prese intermedie, è possibile programmare il valore nominale della tensione alternata desiderata in uscita, semplicemente impostando sequenze di selezione sequenziale di un certo numero N di prese intermedie appositamente selezionate tra tutte quelle disponibili, consentendo in tal modo di modificare sia la tensione nominale che la frequenza della tensione alternata di uscita senza richiedere l’impiego di un apposito trasformatore.

Anche la forma d’onda di uscita può essere facilmente programmata anche in forma volutamente diversa da quella sinusoidale.

E’ da notare che la batteria multicelle B5 potrebbe essere costituita da celle elementari di area ridotta (ad esempio da 4 o 5 volte inferiore dell’area delle celle elementari della batteria Bl) perché essa lavora (in fase di scarica) per una relativamente piccola frazione di tempo (zona di picco della curva sinusoidale). In queste condizioni di intervalli di scarica di brevissima durata alternati a intervalli multipli di inattività, una batteria redox può essere notoriamente sovraccaricata fino a 4 o 5 volte senza alcun -problema. In effetti, l’area delle celle elementari delle diverse batterie può essere modulata in funzione del relativo duty-cycle nell’ invertitore dell’ invenzione, durante la scarica.

Un impianto a pannelli fotovoltaici realizzato secondo la presente invenzione è schematizzato in Fig. 5. Ad esempio, utilizzando 12 pannelli standard ciascuno da 12 Volts nominali è possibile connetterli in serie in modo da ottenere un voltaggio totale nominale di 144 Volts. Utilizzando varie prese di tensione di una batteria redox (o di più batterie redox in serie) c possibile mantenere la contro-tensione di batteria ad un valore che corrisponda alla potenza massima estraibile dai pannelli in funzione dell’ irraggiamento. Inoltre dalla stessa (o dalle stesse) batterie redox in serie, è possibile, con prese ed interruttori di potenza opportunamente disposti, come sopra descritto, costruire direttamente una tensione alternata ad onda sinusoidale da erogare. In questo caso la tensione alternata prodotta potrà avere teoricamente un valore di picco di 144 Volts o lievemente inferiore in conseguenza del ripple ed un valore efficace di 110 Volt AC o di poco inferiore per le ragioni su esposte.

Nell’illustrazione è suggestivamente mostrato mediante un diagramma come la forma d’onda sinusoidale di uscita con valori di picco di circa 144 Volts venga costruita dall’invertitore dell’invenzione.

E’ chiaro che le prese intermedie dell’inverter potrebbero anche essere direttamente derivate dalla serie di pannelli agenti essi stessi da celle primarie fotovoltaiche ed in questo caso una batteria redox potrebbe essere utilizzata come elemento stabilizzante o tampone della tensione ed anche, se necessario, ad accumulare l’energia derivante dall’irraggiamento solare.

Le due coppie di figure 6a e 6b e 7a e 7b sono rappresentazioni schematiche di immediata comprensione che pongono in evidenza il concetto di similitudine tra un autotrasformatore elettrico (Fig. 6b) ed un autotrasformatore a batteria redox (Fig. 6a) e tra un trasformatore elettrico (Fig. 7b) ed un trasformatore a batteria redox (Fig. 7a).

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo per fornire un’uscita di potenza elettrica ad una certa tensione alternata da un sistema di immagazzinamento di energia in batterie di accumulo o da un sistema di generazione di energia elettrica in batterie di celle primarie a combustibile o fotovoltaiche impiegante almeno una batteria composta da una pluralità di celle elementari elettricamente in serie tra loro, caratterizzato dal fatto che comprende: procurare una pluralità di celle elementari elettricamente in serie e stabilire un numero N di prese intermedie lungo detta serie di sorgenti di corrente continua tali che il numero di celle elementari comprese tra una certa presa intermedia e un’altra presa intermedia ad essa adiacente o un terminale di detta serie corrisponda ad un valore relativo dell’ampiezza nel rispettivo intervallo di fase di un numero N di fasi di discretizzazione della forma d’onda di detta tensione alternata in un quadrante; provvedere un numero N di interruttori di potenza ciascuno collegante una relativa presa intermedia e un primo terminale della serie elettrica di celle elementari ad un nodo circuitale comune di una prima polarità; accoppiare detto nodo circuitale comune di detta prima polarità e l’altro terminale della serie elettrica di celle elementari, di polarità opposta a detta prima polarità, a rispettivi nodi di uno stadio a ponte di inversione del percorso di corrente di uscita composto da almeno quattro interruttori di potenza controllati, gli altri due nodi di detto stadio a ponte costituenti detta uscita di potenza a tensione alternata; commutare sequenzialmente e ciclicamente in modo continuo un interruttore alla volta di detti N interruttori, ciascuno per un intervallo di tempo corrispondente a 1/(4N) il periodo di detta tensione alternata, invertendo il percorso di corrente attraverso detto stadio a ponte allo scadere di ciascun semi periodo.
2. Il metodo secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che tutte dette celle elementari elettricamente in serie tra loro appartengono ad un’unica batteria multicella di detto sistema.
3. Il metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette celle elementari elettricamente in serie appartengono a N batterie multicella ciascuna composta da detto numero di celle elementari variante secondo detta corrispondenza.
4. Il metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il numero di celle elementari incluse nel circuito selezionando una certa presa intermedia corrisponde ad un valore relativo di una funzione sinusoidale nel rispettivo intervallo di fase delle N fasi di discretizzazione in cui è suddiviso ciascun quadrante.
5. Invertitore statico di tensione per sistema a batteria comprendente una pluralità di celle elementari elettricamente in serie ed un numero N di prese intermedie lungo detta serie di sorgenti di corrente continua, caratterizzato dal fatto che il numero di celle elementari comprese tra una presa intermedia e un’altra presa intermedia ad essa adiacente o un terminale di detta serie corrisponde ad un valore relativo dell’ampiezza nel rispettivo intervallo di fase di un numero N di fasi di discretizzazione della forma d’onda di detta tensione alternata in un quadrante; e comprende inoltre un numero N di interruttori di potenza ciascuno collegante una rispettiva presa intermedia ed un primo terminale di detta serie elettrica di celle elementari ad un nodo circuitale comune di una prima polarità; uno stadio a ponte, invertitore di percorso di corrente, composto da almeno quattro interruttori di potenza, avente una prima coppia di nodi accoppiati rispettivamente a detto nodo circuitale comune di detta prima pluralità e all’altro terminale di detta serie elettrica di celle elementari di polarità opposta a detta prima polarità e una seconda coppia di nodi costituenti un’uscita di potenza a tensione alternata; un blocco di controllo commutante sequenzialmente e ciclicamente in modo continuo un interruttore alla volta di detti N interruttori; ciascuno per un intervallo di tempo corrispondente a 1/(4N) il periodo di detta tensione alternata di uscita e commutante per coppie detti quattro interruttori di detto stadio a ponte allo scadere di ciascun semiperiodo.
6. L’invertitore secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che tutte dette celle elementari elettricamente in serie tra loro appartengono ad un’unica batteria multicella di detto sistema.
7. L’invertitore secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che dette celle elementari elettricamente in serie appartengono ad una pluralità di batterie multicella, ciascuna composta da detto numero di celle elementari variante secondo detta corrispondenza.
8. L’invertitore secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che il numero di celle elementari incluse nel circuito selezionando una certa presa intermedia corrisponde ad un valore relativo di una funzione sinusoidale nel rispettivo intervallo di fase delle N fasi di discretizzazione in cui è suddiviso ciascun quadrante.
9. L’invertitore secondo la rivendicazione 5, caratteri zzato dal fatto che detto blocco di controllo comprende un numero N+4 di buffer di pilotaggio dei rispettivi fili di un primo bus di controllo ad N fili di detti N interruttori di potenza e di un secondo bus a quattro fili di controllo di detti quattro interruttori di potenza di detto stadio di uscita a ponte.
10. L’invertitore secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detti buffer di pilotaggio sono controllati via software.
I L L’invertitore secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detto blocco di controllo comprende un generatore di clock scandente gli N istanti di commutazione di fase di discretizzazione di detta funzione sinusoidale in un quadrante, almeno un contatore up-down di comando di detti quattro buffer di pilotaggio dei fili di controllo dei quattro interruttori di potenza di detto stadio a ponte e mezzi programmabili di scansione sequenziale e ciclica atti a pilotare in uno stato logico attivo un filo alla volta di detti N fili di controllo di detti N interruttori di potenza.
12. Sistema di alimentazione di carichi elettrici a tensione alternata da pannello fotovoltaico comprendente uno o più pannelli fotovoltaici, almeno una batteria redox di accumulo di energia, un invertitore comprendente una pluralità di celle elementari elettricamente in serie ed un numero N di prese intermedie lungo detta serie di sorgenti di corrente continua di erogazione di energia elettrica a detta tensione alternata, caratterizzato dal fatto che il numero di celle elementari comprese tra una presa intermedia e un’altra presa intermedia ad essa adiacente o un terminale di detta serie corrisponde ad un valore relativo dell’ampiezza nel rispettivo intervallo di fase di un numero N di fasi di discretizzazione della forma d’onda di detta tensione alternata in un quadrante; e comprende inoltre un numero N di interruttori di potenza ciascuno collegante una rispettiva presa intermedia ed un primo terminale di detta serie elettrica di celle elementari ad un nodo circuitale comune di una prima polarità; uno stadio a ponte, invertitore di percorso di corrente, composto da almeno quattro interruttori di potenza, avente una prima coppia di nodi accoppiati rispettivamente a detto nodo circuitale comune di detta prima pluralità e all’altro terminale di detta serie elettrica di celle elementari di polarità opposta a detta prima polarità e una seconda coppia di nodi costituenti un’uscita di potenza a tensione alternata; un blocco di controllo commutante sequenzialmente e ciclicamente in modo continuo un interruttore alla volta di detti N interruttori, ciascuno per un intervallo di tempo corrispondente a 1/(4N) il periodo di detta tensione alternata di uscita e commutante per coppie detti quattro interruttori di detto stadio a ponte allo scadere di ciascun semiperiodo.