UNITÀ OPERATIVA DI REGGIO CALABRIA RESPONSABILE SCIENTIFICO: PROF. R. CARBONE DIPARTIMENTO DI INFORMATICA MATEMATICA ELETTRONICA E TRASPORTI (DIMET) UNIVERSITÀ MEDITERRANEA DI REGGIO CALABRIA VIA GRAZIELLA, LOC. FEO DI VITO CAP: 89060, CITTA : REGGIO CALABRIA TELEFONO: 0965 875 310 FAX: 0965 875 247 L Unità di Reggio Calabria, nel biennio 2009-2011, ha svolto la sua attività di ricerca, fondamentalmente, nei settori della produzione e della utilizzazione dei sistemi elettrici. A livello nazionale, l attività è stata parzialmente svolta in collaborazione con l Unità di Napoli 2. Per quanto attiene alla partecipazione a progetti di ricerca, l Unità di Reggio Calabria ha partecipato ai lavori conclusivi del progetto PRIN 2007 dal titolo Progettazione, realizzazione e caratterizzazione metrologica di una apparecchiatura innovativa per la verifica dei misuratori di energia elettrica operanti in regime non sinusoidale e dissimmetrico ed è tra le Unità promotrici di un PRIN 2009 dal titolo Problemi di integrazione di impianti per la produzione di energia elettrica caratterizzati da alta variabilità della fonte (eolici, solari) nelle reti elettriche del futuro, in corso di valutazione. Attualmente, l'unità partecipa, in qualità di Responsabile scientifico, ad un progetto di durata triennale, nell'ambito di un APQ della Regione Calabria - Azione 3: Sostegno alla Domanda di Innovazione nel Settore Agro-Alimentare, dal titolo Definizione, progettazione, realizzazione e validazione sperimentale di un sistema tecnologico innovativo ed eco-compatibile per il controllo dei parametri ambientali di una serra agricola. Di detto progetto sono stati completati i lavori relativi alla prima annualità. TITOLO TEMA DI RICERCA: PRODUZIONE DELL'ENERGIA ELETTRICA Sottotema: Generazione Distribuita, da fonti rinnovabili In [RC-1, RC-2 ed RC-3] vengono studiati gli effetti tecnico-economici della produzione di energia elettrica da fonte fotovoltaica quando caratterizzata da condizioni di funzionamento Pagina 1 di 5
non-ideali. In particolare, vengono studiati gli effetti della immissione/prelievo di energia elettrica in un nodo di prosumer della rete di distribuzione in BT, in due due diverse condizioni di funzionamento dell'impianto: (i) correnti sbilanciate sulle tre fasi, immesse da un impianto fotovoltaico trifase connesso alla rete mediante tre inverter monofase; (ii) correnti affette da distorsione armonica, assorbite da carichi non-lineari di potenza significativa. Ai fini della valutazione degli effetti economici, si fa riferimento alla politica italiana di incentivazione per la produzione da fonte fotovoltaica "Conto-Energia", come recentemente modificata. Sono discussi sia i risultati ottenuti mediante simulazioni numeriche degli impianti che i risultati ottenuti mediante misurazioni sul campo su un impianto prosumer reale dotato di impianto fotovoltaico grid-connected da 18kWp. In [RC-4] sono studiati, anche grazie a campagne di misure su prototipi di impianti fotovoltaici di piccolissima e piccola potenza, gli effetti positivi dei sistemi di accumulo elettrochimico dell'energia elettrica sulla generazione degli impianti fotovoltaici del tipo grid-connected. E' mostrato come detti effetti positivi possano riassumersi, fondamentalmente, nei seguenti: (i) massimizzazione dell'energia elettrica generata dal generatore fotovoltaico, grazie ad un intrinseco effetto di inseguimento passivo del punto di massima potenza (MPPT), capace di sortire risultati molto positivi soprattutto se il predetto sistema di accumulo è progettato e realizzato in maniera distribuita, cioè a livello di singolo modulo fotovoltaico; (ii) riduzione dei problemi causati da effetti di mismatching nel livello di irradiazione dei moduli di uno stesso generatore fotovoltaico, tipici degli impianti privi di sistemi di accumulo; (iii)possibilità di rendere la generazione degli impianti fotovoltaici maggiormente prevedibile e disponibile. In [RC-5] è presentata una idea progettuale innovativa di serra agricola dotata sia di impianto fotovoltaico grid-connected su parte della copertura, per la generazione di energia elettrica da fonte rinnovabile, che di ulteriori impianti tecnologici (di climatizzazione e di illuminazione artificiale) capaci di ottimizzare i parametri ambientali interni (temperatura, umidità ed illuminamento) della serra agricola, con un atteso incremento significativo della Pagina 2 di 5
produttività della serra stessa. L'idea si fonda sul principio che il controllo artificiale dei parametri ambientali della serra debba avvenire a costo ed impatto ambientale zero ; ciò è ottenuto, da un lato, intercettando gli incentivi economici del conto energia (per ammortizzare i costi iniziali degli impianti tecnologici messi al servizio della serra) e, dall'altro lato, controllando che il consumo energetico annuo degli impianti tecnologici interni (climatizzatore a pompa di calore e sistemi di illuminazione artificiale) risulti esattamente pari alla generazione annua dell'impianto fotovoltaico. In [RC-6 ed RC-7] è preso in considerazione l'uso, nel settore fotovoltaico, dei cosiddetti moduli AC, cioè dei moduli fotovoltaici capaci di generare energia elettrica dal sole direttamente in corrente alternata a frequenza industriale e, quindi, direttamente collegabili alla rete di elettrica di BT. Dopo una breve rassegna sulle diverse configurazioni introdotte in letteratura ed anche sul mercato internazionale del fotovoltaico, nei lavori è introdotta una idea completamente nuova di modulo AC. Alla base dell'idea c'è, innanzitutto, l'uso, a bordo modulo, di un piccolo sistema di accumulo distribuito, basato sull'impiego di batterie ricaricabili di tipo commerciale da collegare in parallelo a gruppi (generalmente 4 o 5) di celle fotovoltaiche a loro volta collegate in serie. In questo modo, anche a seguito di quanto precedentemente studiato e sopra brevemente riassunto, si riesce ad ottimizzare la generazione di energia elettrica delle celle fotovoltaiche rendendola pressoché insensibile rispetto ai fenomeni a cui può essere soggetta la rete di BT, si riesce a ridurre le perdite di generazione causate da eventuali mismatching fra le celle fotovoltaiche del modulo e si riesce a rendere maggiormente affidabile e disponibile la sua generazione di energia elettrica. In secondo luogo, la disponibilità fisica a bordo modulo di numerosi livelli di tensione continua, permette di concepire, ai fini della conversione in corrente alternata dell'energia elettrica generata dal modulo, un nuovo tipo di inverter e cioè un cosiddetto inverter multi-livello. Le peculiarità di questo tipo di inverter, da usare in sostituzione dei convenzionali inverter di tipo PWM, possono riassumersi: nel funzionamento a bassissima frequenza di switching degli interruttori statici che lo compongono (con notevole riduzione delle perdite di commutazione e degli stress sui predetti interruttori) e nella possibilità di generare una forma d'onda della tensione di uscita pressoché sinusoidale, a bassissimo valore del THD e, soprattutto, priva di componenti armoniche ad alta frequenza che, tipicamente costringono all'uso di EMI filters nello stadio di uscita dei convenzionali inverter PWM. Pagina 3 di 5
Bibliografia [RC-1]. R. Carbone, C. De Capua, A. Meduri, R. Morello: "Energy Accounting in Presence of Unbalances: the Case Study of a Photovoltaic Plant". Proceedings of the IEEE the International Conference "I2MTC 2010". May 3-6, 2010, Austin, Texas, USA, pp. 1145-1149. ISBN/ISSN: 978-1-4244-2832-8/1091-5281. [RC-2]. Carbone R., De Capua C., Morello R., Lugarà M., Meduri A.: "Il Problema della Contabilizzazione dell'energia Elettrica in Presenza di Regime Deformato: Il Caso Studio di un Impianto Fotovoltaico". Atti del Congresso Nazionale "GMEE 2010". Università di Cassino (FR) - Italy, 13-15 Settembre 2010. [RC-3]. R. Carbone, R. Langella, A. Testa: "On the billing of Electrical Energy Flows At Prosumers Busbar". Proceedings of the IEEE 14-th International Conference "ICHQP 2010". 26-29 September 2010, Bergamo, Italy, pp.1-7. ISBN/E-ISBN: 978-1-4244-7244-4/978-1-4244-7245-1. [RC-4]. R. Carbone: Energy storage in grid-connected Photovoltaic plants. Chapter n.4 of the Book Energy Storage, pp. 69-87. Sciyo. First published September 2010. Edited by Md. Rafi qul Islam Sheikh. ISBN 978-953-307-119-0. Copyright 2010 Sciyo. available at www.sciyo.com. [RC-5]. R. Carbone, C. De Capua, R. Morello: PV-plants for Powering Greenhouses. Atti della IEEE International Conference ICCEP 2011, 14-16 June 2011, Ischia, Italy. [RC-6]. R. Carbone, A. Tomaselli: Recent Advances on AC PV-modules for Grid-Connected Photovoltaic Plants. Atti della IEEE International Conference ICCEP 2011, 14-16 June 2011, Ischia, Italy. [RC-7]. R. Carbone: Introducing a new AC PV-module. Atti del Congresso Nazionale AEIT Prospettive Economiche e Strategie Industriali, 27-29 June 2011, Milano, Italy. TITOLO TEMA DI RICERCA: UTILIZZAZIONE DELL'ENERGIA ELETTRICA Sottotema: Sistemi Elettronici di Potenza ad alte prestazioni In [RC-8, RC-9 ed RC-10] è sviluppato uno studio finalizzato al miglioramento delle prestazioni degli azionamenti a tensione e frequenza variabile per motori di piccola e piccolissima potenza. Detti azionamenti, se da un lato possono consentire il conseguimento di un notevole risparmio energetico se utilizzati a bordo di particolari utilizzatori elettrici di tipo residenziale (lavatrici, lavastoviglie, ), dall'altro lato prevedono l'impiego di convertitori statici dell'energia elettrica di tipo monofase-trifase e totalmente controllabili in tecnica PWM che introducono la nota complicazione della distorsione della forma d'onda della corrente assorbita dalla rete in corrente alternata monofase. Nei lavori, è operata una rassegna delle configurazioni circuitali maggiormente utilizzate, con un confronto delle prestazioni, ed è introdotta una proposta di filtraggio passivo della corrente elettrica Pagina 4 di 5
assorbita dai predetti azionamenti atta a ridurne il contenuto armonico ed ad incrementare il power factor del circuito. Le simulazioni numeriche, operate in ambiente Pspice ed in diverse condizioni di funzionamento dei circuiti, dimostrano la concreta efficacia della proposta di filtraggio introdotta, ottenuta anche grazie all'introduzione di un circuito emulatore di resistenza che si mostra capace di ridurre le perdite del filtro passivo che, altrimenti, avrebbero comportato una sensibile riduzione dell'efficienza dell'azionamento. Bibliografia [RC-8]. R. Carbone, A. Tomaselli: "Passive Harmonic Filtering Systems for Low Power PWM ASDs: A Comparative Analysis and Perspectives". Proceedings of the IEEE 20-th International Conference "SPEEDAM 2010". June 14-16, 2010, Pisa, Italy, pp. 1553-1558. ISBN: 978-1-4244-4986-6. [RC-9]. R. Carbone, R. Morello: "A Single-phase to Three-phase Low-Power PWM Adjustable Speed Drive with Low Current Harmonics". Proceedings of the IEEE-AM/WSEAS International Conference on "Recent Advances in Circuits, Systems and Signals". 15-17 September 2010, Malta, pp. 252-257. ISBN/ISSN: 978-960-474-226- 4/1792-4324. [RC-10]. R. Carbone: "Recent advances on reducing harmonics in low-power adjustable speed drives". International Journal of Circuits, Signals and Systems, Issue 1, Volume 5, 2011, pp. 61-69. ISSN: 1998-4464. Pagina 5 di 5