Energia dal sole e dal vento

ENERGIE RINNOVABILI –

L’elettronica di potenza gioca un ruolo fondamentale nello sfruttamento delle fonti energetiche rinnovabili. Impianti fotovoltaici e turbine eoliche richiedono l’impiego di convertitori basati su semiconduttori di potenza come Igbt e Igct.

Lo sfruttamento razionale dell'energia solare ed eolica richiede l'impiego di tecnologie piuttosto sofisticate che presuppongono l'esistenza di un'infrastruttura industriale evoluta, comprendente ad esempio le fabbriche necessarie per produrre i semiconduttori di potenza: Mosfet, Igbt, Igct. Infatti, come vedremo nelle righe seguenti, l'energia elettrica ottenuta dalle fonti energetiche rinnovabili non può essere immessa direttamente nella rete di distribuzione; occorrono pertanto convertitori elettronici capaci di plasmarla nel modo voluto. Vediamo in breve il ruolo delle conversioni energetiche negli impianti fotovoltaici e nelle turbine eoliche.

Impianti fotovoltaici
Gli impianti fotovoltaici richiedono una doppia conversione elettronica dell'energia prodotta: Dc-Dc e quindi Dc-Ac. Ricordiamo infatti che la singola cella solare, il dispositivo che converte la luce in energia elettrica, produce una tensione continua di circa mezzo volt. Numerose celle sono collegate tra loro in serie per sommare queste piccole differenze di potenziale; ogni serie (o “stringa”) è quindi connessa a un bus tramite un convertitore Dc-Dc che alza ulteriormente la tensione totale generata. Il bus è connesso a sua volta all'inverter, che converte la tensione continua in un'onda sinusoidale a 50 Hertz. In un tipico impianto fotovoltaico, quindi, l'elettronica di potenza svolge due principali funzioni:
1) alzare il livello della tensione generata dalle celle (conversione Dc-Dc);
2) convertire le grandezze elettriche da continue ad alternate (conversione Dc-Ac).
Entrambe le funzioni si basano sulla tecnica della commutazione (Pwm, modulazione della larghezza degli impulsi); generalmente la conversione Dc-Dc viene effettuata a una frequenza di commutazione di 100 kHz o superiore, mentre la conversione Dc-Ac avviene di solito tra 16 e 20 kHz. Oltre a convertire l'energia nelle forme adatte al suo sfruttamento, l'elettronica di potenza di un impianto fotovoltaico svolge un altro importante compito: mantenere i pannelli solari nel punto di lavoro corrispondente alla massima produzione di potenza. Ogni cella solare, in ogni data condizione di funzionamento, è caratterizzata infatti da una particolare curva corrente-tensione che descrive il suo comportamento in funzione del carico applicato. La potenza prodotta è massima quando la cella lavora nel punto caratterizzato dalla migliore combinazione possibile tra corrente erogata e tensione ai terminali, cioè dai valori che massimizzano il risultato del prodotto “V per I”. L'elettronica di potenza deve pertanto presentare alla cella il valore di carico ottimale, valore che però non può essere definito una volta per tutte poiché la curva corrente-tensione si modifica al variare delle condizioni ambientali. Le celle solari, infatti, sono molto sensibili alle variazioni dell'irraggiamento (dovute ad esempio alle nuvole o all'ombra di alberi ed edifici) e ai cambiamenti di temperatura. Occorre pertanto un lavoro di “inseguimento” continuo, affidato ai microcontrollori che governano l'elettronica di potenza. Questa funzione viene svolta tramite algoritmi detti Mppt (Maximum Power Point Tracker), che possono essere anche piuttosto complessi e quindi richiedere una notevole capacità di elaborazione.

I micro-inverter solari
Poiché l'ottimizzazione del punto di lavoro delle celle influisce notevolmente sull'efficienza di conversione, le tradizionali topologie di impianto basate su un unico inverter (cioè su una conversione Dc-Ac centralizzata) non consentono di raggiungere la massima efficienza possibile. Un unico inverter, infatti, tratta necessariamente allo stesso modo tutte le celle solari dell'impianto, mentre in realtà ciascuna di esse può essere caratterizzata da una diversa curva corrente-tensione. Queste differenze sono dovute da un lato alla disomogeneità delle condizioni ambientali nelle diverse parti dell'impianto (ombre che coprono solo alcuni pannelli e non altri, differenze di temperatura), dall'altro lato all'inevitabile variabilità del processo produttivo delle celle stesse, che in realtà non sono mai perfettamente identiche. Per questo motivo sta prendendo piede una nuova topologia di impianto basata su un micro-inverter per ciascun pannello solare; in questo modo diviene possibile ottenere un punto di lavoro ottimale per il singolo pannello (anche se non per la singola cella), con sensibili aumenti dell'efficienza di conversione complessiva. Naturalmente questa soluzione richiede che ogni micro-inverter sia dotato della capacità di elaborazione necessaria per eseguire gli algoritmi Mppt.

Turbine eoliche
Com'è noto, lo sfruttamento dell'energia fornita dal vento si basa sulle turbine eoliche, macchine enormi e complesse nelle quali la rotazione di un'elica viene utilizzata per muovere un generatore elettrico. A differenza degli impianti fotovoltaici (che devono necessariamente utilizzare l'elettronica di potenza per convertire le basse tensioni continue generate), una turbina eolica può fornire energia alla rete elettrica anche senza bisogno di apparati elettronici: ruotando alla giusta velocità, infatti, il generatore connesso alle pale può fornire una corrente alternata già pronta per l'uso. In effetti questa è una delle soluzioni tradizionalmente utilizzate per realizzare turbine eoliche: le pale ruotano a velocità fissa e muovono un generatore a induzione con rotore a gabbia di scoiattolo, collegato direttamente alla rete elettrica. Questa soluzione però non consente di sfruttare al massimo l'energia eolica disponibile in ogni momento, poiché la velocità del vento è ovviamente variabile; d'altra parte se il generatore ruota a velocità variabile, anche le grandezze elettriche da esso fornite variano nel tempo, mentre per immettere energia nella rete elettrica occorre rispettare una serie di parametri (tensione e frequenza innanzitutto). Le regole fissate dai gestori delle reti - il cosiddetto “grid code” - divengono anzi sempre più stringenti, poiché la quota di energia elettrica di origine eolica è in aumento e quindi i parchi eolici vengono oggi considerati alla stregua di centrali elettriche. Nelle turbine occorre quindi utilizzare l'elettronica di potenza per “disaccoppiare” il più possibile la velocità di rotazione della pala dai parametri elettrici in uscita. Nel corso degli anni i costruttori di queste macchine hanno sviluppato una grande varietà di soluzioni a velocità variabile, che si differenziano per altrettante combinazioni tra diversi aspetti: la massima percentuale di variazione della velocità, la quantità di energia sottoposta a conversione elettronica (tutta quella prodotta o soltanto una parte), il tipo di generatore elettrico utilizzato (a induzione con rotore avvolto, a doppia alimentazione, sincrono eccitato elettricamente, sincrono a magneti permanenti), la presenza o l'assenza di un moltiplicatore di giri (nel primo caso il generatore ruota a velocità superiore rispetto alle pale, nel secondo caso è direttamente solidale ad esse), ecc. In questo articolo non è possibile passare in rassegna queste diverse tipologie, ciascuna delle quali offre vantaggi e svantaggi; ci limiteremo a dire che oggi è in aumento la diffusione delle turbine eoliche basate su generatori sincroni a magneti permanenti e sulla conversione elettronica del 100% dell'energia prodotta (“full-scale converter”). Questa, ad esempio, è la scelta compiuta recentemente dalla società danese Vestas, uno dei principali costruttori di turbine eoliche, per il proprio modello V112, una macchina da 3 megawatt con pale di quasi 55 metri. Occorrono quindi convertitori elettronici molto grossi, anche perché i costruttori tendono oggi a realizzare turbine dotate di una potenza unitaria sempre più alta (diversi megawatt, come si è visto nel caso dell'esempio citato). Oltre a disaccoppiare la velocità di rotazione delle pale dai parametri elettrici in uscita, l'impiego dei convertitori full-scale offre anche altre possibilità, in particolare rende molto più facile ottenere la conformità alle regole fissate dai vari gestori elettrici nei diversi paesi (il già citato “grid code”). Il convertitore, infatti, permette di controllare tutti i parametri del funzionamento della turbina, ad esempio la potenza attiva e reattiva, il contenuto di armoniche nella corrente fornita alla rete, il comportamento in caso di cortocircuito o cali di tensione ecc.

Un convertitore eolico
Un esempio interessante di convertitore eolico full-scale è rappresentato dal modello PCS 6000 Wind realizzato dalla società ABB, della potenza di 9 MVA (megavoltampere), che fornisce in uscita energia elettrica a media tensione (3300 volt oppure 4160 volt). In sostanza, il sistema è basato su due inverter switching speculari, Ac-Dc e Dc-Ac: il primo converte in corrente continua l'energia alternata prodotta dal generatore, il secondo riconverte la continua in alternata e la fornisce alla rete. Il controllo elettronico indipendente di questi due stadi consente di plasmare l'energia nel modo desiderato. I componenti di potenza utilizzati per la commutazione sono Igct (Integrated Gate-Commutated Thyristor). Avendo un'architettura speculare ed essendo quindi bidirezionale, il convertitore full-scale facilita anche il collaudo della turbina, perché può essere utilizzato come un drive per muovere le pale. L'impiego della media tensione (anziché della bassa tensione, 690 volt) consente di ridurre i valori delle correnti in uscita e quindi di utilizzare cavi più sottili per collegare la turbina alla rete. Nell'esempio fornito da ABB, con una potenza generata di 4 megawatt l'aumento della tensione d'uscita (da 690 a 3300 volt) permette di ridurre la corrente da 3350 a 700 ampere. Supponendo che il pilone della turbina sia alto 120 metri, l'uso di cavi più sottili consente di risparmiare oltre quattro tonnellate di rame per ogni singola macchina.

Igbt e Igct
Com'è noto, i convertitori switching si basano su semiconduttori di potenza che svolgono la funzione di commutatori. I componenti maggiormente utilizzati per i valori di potenza tipici degli impianti fotovoltaici ed eolici sono gli Igbt e gli Igct. Un Igbt (Insulated Gate Bipolar Transistor) consiste sostanzialmente in un transistor bipolare di potenza comandato da un Fet con gate isolato; i due dispositivi sono integrati in un'unica struttura a quattro strati, P-N-P-N. Questo dispositivo unisce quindi la capacità di condurre correnti elevate, propria dei transistor bipolari, con la semplicità di pilotaggio tipica dei Mosfet. Spesso più Igbt vengono assemblati in parallelo per formare moduli di alta potenza. Un Igct (Integrated Gate-Commutated Thyristor) è invece un tiristore simile al Gto (Gate Turn-Off). L'espressione Integrated Gate si riferisce al fatto che l'elettronica di comando è realizzata su un circuito stampato che è integrato nel contenitore del dispositivo di potenza. Rispetto al Gto, l'Igct ha minori perdite di conduzione, sopporta aumenti di tensione più rapidi e ha tempi di commutazione più brevi verso lo stato off. Ai fini dell'efficienza di conversione, cioè per massimizzare la percentuale di energia trasferita a valle, è importante che i dispositivi di commutazione offrano perdite ridotte. Gli aspetti da considerare sono due: le perdite di conduzione, dovute alla resistenza indesiderata che i commutatori a stato solido presentano nello stato “on”; e le perdite di commutazione, legate al passaggio tra lo stato “on” e lo stato “off” e viceversa. Lo sfruttamento dell'energia solare ed eolica è in aumento; impianti fotovoltaici e turbine eoliche rappresentano quindi un mercato importante per l'elettronica di potenza. Per cogliere queste opportunità, i produttori di semiconduttori continuano a sfornare componenti caratterizzati da prestazioni sempre migliori sotto tutti gli aspetti: massimi valori di tensione e corrente, massima frequenza di lavoro, perdite di commutazione, perdite di conduzione, densità di potenza ottenibile a livello di sistema, affidabilità. Ciò consente di realizzare convertitori sempre più efficienti, compatti ed economici, che contribuiscono a rendere più competitive le fonti energetiche rinnovabili.

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