FPSE Power Interface

Il sistema FPSE-PI, sviluppato presso l’Università della Calabria dal Gruppo di Ricerca di Sistemi Elettrici con brevetto n. BI2638M, è in grado di far funzionare correttamente un cogeneratore con generatore Stirling, di tipo Free Piston, nelle seguenti modalità:

  • Grid connected: il sistema FPSE-PI alimenta con continuità e qualità il cogeneratore permettendo allo Stirling e all’intero sistema di cogenerazione (compresi gli impianti ausiliari e le pompe di circolazione dell’acqua per il riscaldamento dei locali) di non risentire di disturbi (buchi di tensione e/o variazioni di frequenza e/o tensione) provenienti dalla rete o blackout della rete elettrica. In caso di blackout, infatti il FPSE-PI è in grado di far funzionare correttamente lo Stirling e il relativo cogeneratore nella modalità stand alone di seguito riportate.

  • Stand alone A: questa modalità di funzionamento che è un caso particolare della precedente modalità grid connected (è quindi implicita nelle funzionalità previste per la modalità Grid connected dal sistema di controllo), serve a garantire la continuità di funzionamento del cogeneratore e quindi dello Stirling, nell’eventualità di un improvviso blackout di rete. In questo caso il sistema FPSE-PI è in grado di garantire la continuità di funzionamento del cogeneratore, senza soluzione di continuità per il funzionamento dello Stirling. Assicurando il perfetto equilibrio della potenza prodotta dallo Stirling e dei relativi flussi (power flow). Detta potenza, se sufficiente, alimenterà tutta la circuiteria ausiliaria (pompe di circolazione...), la logica dell’intero sistema e l’eventuale surplus di potenza verrà recuperato mediante un apposito resistore (controllato in PWM) inserito nell’eventuale sistema di accumulo termico. Qualora il blackout dovesse verificarsi quando lo Stirling è in fase di avviamento o nel caso in cui la potenza generata dallo stesso sia inferiore alla Quiescent Power (Potenza minima vitale richiesta dalla logica di funzionamento e dai circuiti ausiliari) la logica di controllo è in grado di gestire in maniera ordinaria corretto spegnimento dello Stirling, secondo le modalità previste dalla casa produttrice Microgen attraverso l’interazione con la ECU.

  • Stand alone B: in presenza di altra fonte di generazione e/o sistemi di accumulo, il FPSE-PI è in grado di avviare lo stirling (e quindi il relativo cogeneratore) e di funzionare in modalità completamente autonoma dalla rete elettrica. Una volta che il generatore Stirling è avviato non vi è più la necessità di alcuna fonte di generazione per il suo corretto funzionamento. In caso di produzione maggiore rispetto ai carichi da alimentare il sistema FPSE-PI attiva un “freno elettrico” basato sull’utilizzo di un resistore di opportuna potenza che può essere inserito all’interno dell’accumulo termico.  

In  Fig. 1 (galleria a fine pagina) viene illustrato il sistema FPSE-PI nella sua versione base (includente anche un sistema di accumulo al litio). Il dispositivo FPSE-PI, è predisposto per poter integrare oltre all’unità di cogenerazione Stirling based anche  un sistema di accumulo a litio,     un generatore fotovoltaico (gestito con un convertitore per la realizzazione del controllo in MPPT),  altre sorgenti di energia per applicazioni complesse che in genere esulano dalla semplice gestione di un cogeneratore Stirling based, come indicato in Fig. 2.  Un singolo sistema FPSE-PI, in questa ultima configurazione (Fig. 2), di fatto, costituisce quella che in letteratura è definita anche come nanogrid.

Il sistema FPSE-PI è dotato di un'interfaccia grafica (GUI) dedicata, dove vengono riportati i valori delle potenze, elettrica e termica, prodotte dal Cogeneratore Stirling, la potenza elettrica scambiata con il sistema di accumulo, la potenza prodotta dal generatore PV e la potenza elettrica scambiata con la rete elettrica. Inoltre, è in grado di gestire in Cloud tutte le funzionalità del sistema sopra descritte (vedi fig 3).

Sicurezza elettrica
Per quanto concerne la sicurezza elettrica e quindi nel pieno rispetto della normativa vigente, l’adozione di due trasformatori toroidali ad altissima efficienza consente di adottare tutte le necessarie soluzioni relative allo stato del neutro per evitare che il sistema possa venire configurato come UPS e, quindi, renderlo conforme al bisogno (per potenze superiore ad 1kW) alle richieste della CEI 021. I carichi critici quindi verrebbero alimentati in configurazione TN-S.


Sperimentazione del FPSE-Power Interface integrato in una microgrid
Il sistema FPSE-PI è stato sperimentato su una caldaia dotata di generatore Stirling tipo Free-piston (Microgen) acquistata da una locale azienda calabrese che produce caldaie a pellet sulla quale sta iniziando a sperimentare soluzioni di cogenerazione pellet/stirling. La sperimentazione è stata condotta per circa 12 mesi consecutivi durante le quali si è proceduto a sperimentare il FPSE-PI anche in configurazioni molto complesse nell’ambito del progetto Domus Energia “Sistemi Domotici per il Servizio di Brokeraggio Energetico Cooperativo” (PON03PE_00050). Le sperimentazioni nell’ambito del progetto sono andate ben oltre le funzionalità descritte nel paragrafo 1; infatti il FPSE-PI è stato inserito in una microgrid, composta da più nanogrid connesse tra di loro mediante un bus DC come riportato nello schema di massima di Fig. 5.

In particolare è stata realizzata una versione di potenza pari a 21kW dove sono state interconnesse tra di loro tre diverse nanogrid una delle quali integra il sistema FPSE-PI. In Fig. 6 viene mostrata la Control Room dove è stata realizzata una microgrid, nell’ambito del progetto DOMUS, la quale è composta da tre nanogrid in grado di controllare e esercire correttamente un Cogeneratore con Stirling (Stirling Engine - SE), un generatore fotovoltaico (5kWp), un sistema di accumulo elettrochimico composto da batterie a litio Li-Po 222V 53Ah prodotto dall'Archimede Energie (Battery Energy System - BES), ed alimentare senza soluzione di continuità dei server locali.

Inoltre, nella microgrid viene integrato un classico impianto fotovoltaico (circa 10kWp) dove, mediante un opportuno sistema SCADA, viene fatto esercire anche in assenza di rete elettrica.

 
  • Figura 1
  • Figura 2
  • Figura 3
  • Figura 4
  • Figura 5
  • Figura 6