Sistema para la gestión de la potencia de luminarias led.

Sistema para la gestión de la potencia en luminarias LED (1) alimentadas por un sistema autónomo de energía solar fotovoltaica con paneles solares fotovoltaicos (2) que cargan una batería (3),

la cual alimenta las luminarias (1). El sistema integra, en un único dispositivo, un microprocesador dotado de un algoritmo MPPT, que permite en todo momento almacenar en la batería (3) el máximo de potencia procedente de los paneles solares (2), y un segundo microprocesador dotado de entradas de datos sobre el estado de carga de la batería (3), y de un algoritmo predictivo que calcula la potencia a entregar de la batería (3) a la luminaria (1), en función de uno o varios de los siguientes datos: día del año y la hora, las coordenadas geográficas, y estado de carga de la batería (3).

Sistema para la gestión de la potencia de luminarias LEO

Sector técnico de la invención La presente invención se refiere a un sistema para la gestión de la potencia en consumos eléctricos autónomos, y para la racionalización del consumo energético, formado por una fuente autónoma de energía renovable, por ejemplo solar, y un consumo de potencia eléctrica variable, por ejemplo, aunque no exclusivamente, una o varias luminarias LEO.

El sistema comporta unos medios de computación (uno o dos microprocesadores) implementados con un algoritmo MPPT del tipo de eficiencia en corriente, que permite en todo momento almacenar el máximo de potencia en la batería, a una tensión tal que la potencia es máxima para la potencia radiante captada por los paneles en cada momento.

Antecedentes de la invención Los paneles solares fotovoltaicos presentan una relación compleja entre su ambiente operativo y la potencia máxima que pueden producir. El comportamiento del panel solar no es lineal, lo cual es caracterizado mediante el factor de relleno, FF, que se define como el cociente entre la máxima potencia extraíble del panel solar y el producto Voc·lsc, (voltaje máximo e intensidad máxima, respectivamente, del primer cuadrante; ver Fig. 1) . Para cada conjunto de condiciones operativas, los paneles solares presentan un único punto en que los valores de corriente (1) y voltaje (V) del panel proporcionan una salida de potencia máxima. Estos valores corresponden a un valor concreto de la resistencia de carga igual a V /1, conforme a la Ley de Ohm. La potencia vendrá dada por P=V·1. Un panel fotovoltaico presenta una relación aproximadamente exponencial entre corriente y voltaje. A partir de la teoría básica de circuitos, la potencia entregada a o desde un dispositivo es óptima (un máximo) cuando la derivada (o sea la pendiente) dlldV de la curva I-V es igual al cociente IN (siendo dP/dV=O) . Este punto es conocido como Punto de Máxima Potencia (MPP, por sus siglas en inglés) , y se corresponde con las "rodillas" -como se denomina en el argot-de la curva de la Fig. 1, en las que se verifica un valor de la corriente Imax Y de voltaje V max •

En esta Fig. 1 se muestran únicamente dos curvas: una curva inferior nocturna ili) , para un irradiación solar (por ejemplo, expresada en W/m2) nulo o muy baja y una curva superior diurna (12) , en la que la intensidad suministrada tiene valores positivo, hasta un valor Voc del voltaje, cambiando la corriente de sentido a partir de este valor. Para cada valor de irradiación solar existe una curva O característica.

En muchas aplicaciones es importante el seguimiento de este MPP, para mantener en el máximo la entrega de potencia. Para ello, son conocidos los dispositivos de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT, ó "Maximum Power Point Tracking", en idioma inglés) .

El MPPT, o seguidor del punto de máxima potencia, es un convertidor OC/OC controlado por un microcontrolador que lleva un algoritmo integrado para maximizar la producción de un panel, algunos funcionan con sensores que monitorizan radiación y temperatura, por ejemplo: cuando la temperatura del panel aumenta, decae la tensión que es capaz de subministrar el modulo, pero al mismo tiempo aumenta también la intensidad. Si el control del MPPT hace disminuir el voltaje, provocando una subida de la intensidad, la potencia se mantiene sensiblemente constante. Lo mismo, pero a la inversa, es aplicable cuando disminuye la radiación sobre el panel solar fotovoltaico, en condiciones de frio, nubes, salida y puesta del sol. Las ganancias pueden ser de entre el 20% y el 40%.

Los dispositivos MPPT se sirven de diferentes tipos de algoritmos, por ejemplo MPPT del tipo de eficiencia en corriente, que permite en todo momento almacenar el máximo de potencia en la batería, a una tensión tal que la potencia es máxima para la potencia radiante captada por los paneles en cada momento. El MPPT de la presente invención utiliza un algoritmo de este tipo.

La energía eléctrica captada es entregada a una batería, gestionado mediante el MPPT, y la batería alimenta el consumo eléctrico (luminarias, controles de riego, pequeños motores, ... ) y el excedente sobre el consumo queda almacenado en la batería. Estos sistemas conocidos, de los que se conocen muchas realizaciones presentan inconvenientes. El primero es que en ausencia de demanda, puede enviarse al consumo eléctrico un exceso de energía, ya sea desde la batería o directamente desde laos paneles solares. Es el caso de un luminaria que permanece encendida toda la noche innecesariamente. Si se trata de una luminaria autónoma, por ejemplo en un espacio urbano, sin alimentación de red eléctrica, la batería se descarga y no puede alimentar otros dispositivos se, por ejemplo, el día siguiente amanece nublado.

Por otra parte, los consumos se programan estáticamente, es decir se asigna a cada franja horaria una potencia eléctrica fija a entregar a la luminaria (u otros consumos) desde la batería, sin tener en cuenta las condiciones presentes reales ni en cuanto a disponibilidad de energía radiante, ni estado de carga de la batería, ni demanda de potencia real necesaria requerido por la luminaria.

Finalmente, para un emplazamiento geográfico concreto de la luminaria existen datos históricos y condiciones geoclimáticas controlables que harían predictible la disponibilidad de energía radiante para cada día del año concreto. Además, las características de consumo de una instalación concreta también podrían ser predictibles. No obstante en los dispositivos actuales de luminarias fotovoltaicas autónomas no se conoce que aporten esta funcionalidad de predictibilidad, sino que desde la batería entregan toda la potencia demandada por el consumo o fijada para el mismo si tener en cuenta las circunstancias prácticas reales o predictibles.

En definitiva, la energía no es acumulada ni consumida con eficacia.

La presente invención tiene por finalidad proporcionar un sistema que permita dar solución a estos inconvenientes, racionalizar el consumo energético y adaptar a la demanda real y de un modo predictible tanto la carga de la batería como la entrega de energía.

Explicación de la invención A tal finalidad, el objeto de la presente invención es un sistema para la gestión de la potencia en luminarias alimentadas por un sistema autónomo de energía solar fotovoltaica, que comprende paneles solares fotovoltaicos que cargan una batería, la cual alimenta las luminarias, que en su esencia se caracteriza porque integra, en único dispositivo, dos funcionalidades:

-unos primeros medios de computación con un algoritmo MPPT del tipo de eficiencia en corriente, que permite en todo momento la primera funcionalidad almacenar en una batería el máximo de potencia procedente de los paneles solares, y

-unos segundos medios de computación, dotados de entradas de datos sobre el estado de carga de la batería, y de un algoritmo predictivo que tiene la funcionalidad de calcular la potencia a entregar de la batería a la luminaria, en función uno o varios de los siguientes datos: del día del año y la hora, de las coordenadas geográficas, y del estado de carga de la batería.

Los primeros medios de computación y los segundos medios de computación pueden estar integrados en un único microcontrolador, o bien cada uno de ellos puede estar realizado en un microcontrolador independiente.

Preferentemente, el sistema de la invención comprende adicionalmente medios para proporcionar las coordenadas geográficas del sistema.

Según una realización preferida, el sistema comprende medios de memoria para almacenamiento de datos históricos, tales como por ejemplo: carga solar diaria, duración en horas de la noche, potencia total absorbida cada día, potencia total consumida por las luminarias cada día, energía en las baterías antes y después de la carga, duración del consumo, y porque dicho algoritmo predictivo está adaptado para calcula la potencia a entregar, también en función de los valores históricos para dicho día y dicha hora.

Preferentemente los dos microcontroladores tendrán una comunicación continua entre sí para el intercambio de variables.

De acuerdo con otra realización preferida, se proporcionan medios para disminuir gradualmente la intensidad lumínica a medida que se produce la descarga de la batería, mediante diminución de voltaje, para permitir que la luminaria no se apague nunca durante su funcionamiento.

Según otra característica del sistema de la presente invención, éste comprende medios de comunicación GPRS.

De acuerdo con otra realización preferida de la invención, el sistema comprende un sensor de presencia, para...

1. Sistema para la gestión de la potencia en luminarias (1) alimentadas por un sistema autónomo de energía solar fotovoltaica con paneles solares fotovoltaicos (2) que cargan una batería (3) , la cual alimenta las luminarias (1) , caracterizado porque el sistema (100) integra:

-unos primeros medios de computación, dotados de un algoritmo MPPT, que permite en todo momento almacenar en la batería (3) el máximo de potencia procedente de los paneles solares (2) , y

-unos segundos medios de computación, dotados de entradas de datos sobre el estado de carga de la batería (3) , y de un algoritmo predictivo que calcula la potencia a entregar de la batería (3) a la luminaria (1) , en función de uno o varios de los siguientes datos: día del año y la hora, las coordenadas geográficas, y estado de carga de la batería (3) .

2. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque dichos primeros medios de computación están constituidos en un primer microcontrolador (4) , y dichos segundos medios de computación están constituidos en un segundo microcontrolador (5) .

3. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque dichos primeros medios de computación y dichos segundos medios de computación están integrados en un único microcontrolador.

4. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende medios para proporcionar las coordenadas geográficas del sistema (100) .

5. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además medios de memoria (6) para almacenamiento de datos históricos, tales como por ejemplo: carga solar diaria, duración en horas de la noche, potencia total absorbida cada día, potencia total consumida por la luminaria (1) cada día, energía en la batería (3) antes y después de la carga, duración del consumo, y porque dicho algoritmo predictivo está adaptado para calcula la potencia a entregar, también en función de los valores históricos para dicho día y dicha hora.

6. Sistema según la reivindicación 2, caracterizado porque los dos microcontroladores (4, 5) tienen una comunicación continua para el intercambio de variables.

7. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende medios para disminuir gradualmente la intensidad lumínica a medida que se produce la descarga de la batería (3) , mediante diminución de voltaje, para permitir que la luminaria (1) no se apague nunca durante su funcionamiento.

8. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende medios de comunicación GPRS.

9. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende un sensor de presencia, para provocar un aumento temporal de la intensidad lumínica de la luminaria (1) .

10. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende puertos de comunicaciones, tales como Bluetooth, RS232 cableada, Ethernet, GPRS, etc., para la descarga de datos o para introducción de datos para la programación de las características de control.

11. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende medios de sincronización por radiofrecuencia de una luminaria (1) con otras luminarias análogas.

12. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la luminaria (1) es una luminaria de LEDs cuya intensidad lumínica es regulada mediante modulación en ancho de pulso (PWM) .

o

FVO EÓLICA (OPCIONAL)

NTÚOA ~_______________T~~~~A~~) ----31

21~ /

~c 1

MPPT

EEPROM

~C2

5. -4-------1

WMINARlA

12/24 V

LED

OUTLED

~ 230V (IN)

q 230V

(OUT FA)

~ 12/24V

(IN FA)

(::::) GPRS

(RX1, TXl)

(::::) COMMS

(RX2, TX2)

~ SENSOR DE PRESENCIA

P INPUT

OPCIONAL

\=1 NTC2 (SONDA

TEMP PlACA)

~AMPlIACIÓN

SilO

FIG.2

FIG.3

h

J---+-------. ------.. ----.. ----., -----------------------

100 0/0

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"... ......... ...... -.., .......~-900/0

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I

.....~--. ...... ........ .... -___ 450/0

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15%

o o tiempo FIG.4

10, 100

7. -==---f

FIG.5