Energie rinnovabili: la nuova frontiera dell’interconnessione

SISTEMI DI CONNESSIONE –

Protagonisti della nuova sfida sono i materiali in grado di garantire affidabilità insieme ai contatti e alle strutture specifiche per la trasmissione della potenza e del segnale.

Una nuova frontiera, se non proprio tecnologica di certo economica, nel senso delle prospettive di mercato che questo particolare segmento dimostra a livello mondiale; la produzione e l'impiego di energie alternative e rinnovabili è uno degli imperativi delle società occidentali e i risultati in termini di numero di impianti e di potenza installata e generata cominciano ad essere veramente significativi. Ma quando si parla di impianti per energia alternative, tutti i componenti del sistema di generazione e distribuzione devono essere in grado di massimizzare i benefici delle nuove tecnologie, dalle turbine e celle solari fino ai più semplici dispositivi di interconnessione. Per questi ultimi, le esigenze sono di minimizzare le perdite elettriche, garantendo contemporaneamente il massimo isolamento, elettrico e dagli agenti esterni e una durata compatible con quella prevista per gli impianti stessi (decine di anni...). Una vera sfida che vedrà protagonisti nuovi materiali in grado di garantire robustezza e affidabilità, nuove tipologie di contatti e strutture progettate specificamente per queste applicazioni sia per la trasmissione della potenza in continua o in alternata ma anche per la trasmissione di segnale: il controllo delle centrali di generazione eolica o solare non può certo prescindere dalla creazione di reti di comunicazione ad hoc.

Massimo assorbimento e minima resistenza
Qualsiasi tipo di impianto di generazione, eolico, solare o magari anche nucleare, se in futuro anche questa tecnologia di produzione verrà effettivamente reintrodotta, viene misurato in termini di potenza prodotta, valore che può essere facilmente espresso anche in termini di corrente elettrica (ampere). Il trasporto della corrente, tipicamente attraverso cavi e connettori deve evitare quanto più possibile le perdite, cioè la dissipazione di parte degli ampere generati, che riducono l'efficienza complessiva del sistema e dell'impianto. Una connessione efficiente tra tutti i componenti che costituiscono l'impianto deve garantire il massimo assorbimento e la minima resistenza. Vengono quindi privilegiati i materiali con caratteristiche di ottima conducibilità elettrica, a partire dalle classiche leghe di rame ma impiegando anche altri metalli o metalloidi, come il tellurio, oppure ottone o anche acciaio inossidabile. Ad esempio, gli inverter che trasformano la corrente continua generata dai moduli fotovoltaici in corrente alternata che può essere immessa nella rete pubblica di distribuzione, utilizzano anche una parte dell'energia per alimentare una propria batteria e, per questo collegamento, è proprio il tellurio il materiale privilegiato per i contatti dei connettori. Va invece evitato in condizioni normali l'uso dell'alluminio, perché si tratta di un metallo che viene facilmente eroso da sostanze chimiche aggressive e produce idrogeno, un gas esplosivo. Come per i conduttori, altrettanto importante è la scelta del materiale per gli isolanti, in particolare nel caso di impianti dove si possono raggiungere temperature molto alte o in presenza di radiazioni; in tali applicazioni gli inserti plastici, gli o-ring e le guarnizioni dei vari connettori, devono impiegare elastomeri adatti a resistere ad alte temperature e a non degradarsi neppure in presenza di vapori o sostanze pericolose, che possono essere disperse in caso di guasti nell'impianto.

La realizzazione dei contatti
La realizzazione dei contatti (geometria e superficie) è invece determinante per quantificare il massimo trasferimento possibile di energia per un dato connettore: I classici contatti maschio-femmina possono essere adatti per le applicazioni di segnale e a bassa frequenza, ma per potenze elevate diventa indispensabile creare la più ampia area di contatto tra metallo e metallo possibile, garantendo anche una adeguata schermatura tra pin e pin e verso la carcassa del connettore. Nel caso degli impianti fotovoltaici poi, i contatti (e quindi i connettori) devono anche essere protetti in modo da garantire la sicurezza degli operatori. Se un addetto decide di staccare un cavo da un generatore eolico o da un modulo fotovoltaico, magari per intervenire su un problema o ricercare un guasto, se le pale del generatore stanno girando o se il modulo è illuminato. il contatto è ancora sotto tensione, magari a valori tali da essere addirittura mortale per chi lo toccasse inavvertitamente. La protezione viene solitamente realizzata coprendo il pin maschio con un cilindro in plastica che non permette  il contatto tra la parte metallica e le dita dell'operatore.

Connettori per condizioni ambientali difficili
I connettori per gli impianti fotovoltaici sono tipicamente esposti a condizioni ambientali difficili e, nell'ottica di un impianto il cui funzionamento è garantito per 25 anni, devono sopportare anche valori di temperatura estremi. La variazione in temperatura è il parametro più critico perché causa una inevitabile dilatazione o contrazione dei materiali con conseguente movimento tra connettore maschio e femmina, possibile corrosione da attrito o eventuale ossidazione del contatto metallico con aumento della resistenza (e diminuzione dell'efficienza del pannello in questione). Nei primi impianti fotovoltaici si propendeva per l'utilizzo di sistemi di connessione derivati da altri settori applicativi, ad esempio cavi e connettori per applicazioni automotive che erano quelle con caratteristiche e requisiti più simili a quelli tipici della generazione energetica: purtroppo però nelle applicazioni automotive i connettori sono tipicamente realizzati per cavi unipolari a singolo isolamento di dimensioni relativamente ridotte (fino a 0,75 mm2) per bassi valori di corrente. Nei sistemi fotovoltaici si richiedono invece di cavi fino a 6 mm2, a doppio isolamento, idonei a sopportare correnti fino a 25 A e questi cavi non possono adattarsi ai connettori esistenti. Ecco quindi nascere le linee di prodotti specifici.

Il sistema Solarlok
Tyco, ad esempio, ha creato la famiglia Solarlok che comprende una serie di scatole di giunzione scalabili (da due a 6 coppie di contatti con diodi di blocco per collegare moduli fotovoltaici a silicio cristallino o a film sottile, in serie o in parallelo), connettori maschi e femmina per cavi, connettori a T, prese da montare sugli inverter, cavo IEC 60228 Categoria 5  e il relativo utensili per la giuntura dei cavi con i connettori. Il sistema è creato per essere montato sui pannelli in fase di produzione, semplificando molto le successive fasi di assemblaggio sul campo grazie anche alla sagomatura che permette solo l'inserzione nel verso corretto e alla semplicità dello sgancio a pressione. I contatti, placcati in argento, vengono crimpati mediante uno speciale utensile progettato per garantire una sufficiente robustezza ma evitando la formazione di crepe nel materiale. Allo stesso modo, estrema cura viene posta nel garantire la tenuta complessiva del sistema evitando anche le minime infiltrazioni di umidità. Il punto maggiormente a rischio è quello tra la parete del cavo e la scatola di giunzione. Nel caso di Tyco il materiale isolante esterno del cavo è poliolefina (materiale caratterizzato da elevata resistenza alla radiazione UV, all'umidità e all'ozono) mentre la scatola è realizzata in poliossifenilene (PPO) e la realizzazione di una perfetta tenuta tra i due ha richiesto lo sviluppo di una tecnologia proprietaria e brevetta di trattamento polimerico.

Sunclix per i moduli solari
In altri casi, i principali costruttori di apparati e impianti hanno operato a stretto contatto con i produttori di componenti per sviluppare prodotti innovativi, adatti ad esigenze molto particolari. Phoenix Contact, ad esempio, si è dedicata a sviluppare una linea di prodotti specifica per moduli solari che avesse caratteristiche di affidabilità e facilità di utilizzo, per semplificare le operazioni di installazione e quindi ridurre i relativi tempi e costi; il risultato è la famiglia Sunclix, con terminazioni non a crimpare, in cui il cavo viene collegato al contatto tramite una gabbia a molla. L'installatore deve semplicemente far scattare il contatto sul conduttore con la pressione delle mani o al massimo con una pinza; il connettore può poi essere aperto con un semplice cacciavite. La famiglia di prodotti comprende anche una scatola di giunzione (junction box) per l'uscita del singolo pannello, concepita per il montaggio robotizzato completamente automatico, che elimina la necessità di saldature o terminali a vite.

Affidabilità e riduzione del cortocircuito
Un ulteriore esempio di attenzione all'affidabilità complessiva e alla riduzione del rischio di cortocircuito viene dalla serie di connettori PST di  Wieland. Poiché non richiede un particolare orientamento di contatto nell'utensile, la crimpatura risulta estremamente efficace e, grazie alla precisione delle parti la resistenza di contatto scende fino a pochi milliohm per correnti fino a 40 ampere. Per ridurre ulteriormente le cadute di tensione e le perdite di potenza questi connettori possono adattarsi a cavi con sezione fino a 10 mm. Anche l'estrazione del contatto è semplice e rapida, per permettere di verificar la crimpatura senza problemi.

Isolamento delle celle
Altre soluzioni prevedono poi l'integrazione di ulteriori dispositivi per minimizzare alcuni problemi tipici dei moduli fotovoltaici, ad esempio la riduzione delle prestazioni in caso di parziale ombreggiamento. Yamaichi propone una tecnologia innovativa che, utilizzando diodi Smd, permette di avere scatole di giunzione che riducono notevolmente il calore dissipato, rispetto ai prodotti con diodi convenzionali. La Y-Sol Universal J-Box permette infatti di isolare le celle che hanno prestazioni ridotte a causa dell'ombreggiatura, deviando le correnti tramite i diodi di bypass; anche queste scatole sono dotate di sistemi di contattazione rapida, a molla e sono caratterizzate da dimensioni estremamente contenute, in particolare per quanto riguarda lo spessore. Inoltre, l'eccellente tenuta della scatola evita le operazioni di sigillatura con resine particolari.

Le linee di comunicazione e il cablaggio
Ma nei sistemi di generazione energetica, fotovoltaici o eolici, le linee di potenza sono solo una delle due facce del problema; infatti in tutti questi impianti sono presenti linee di comunicazione destinate a trasmettere le indispensabili informazioni circa la disponibilità e la produttività dell'impianto. In caso di applicazioni distribuite, le soluzioni adottate più di frequente sono quelle basate sui protocolli Industrial Ethernet oppure ModBus o anche Ethernet/IP, quasi sempre con reti cablate in rame mentre l'approccio wireless (oppure tramite fibre ottiche) è relativamente raro. Anche per questi cablaggi il problema dell'affidabilità a lungo termine e della tenuta alle condizioni ambientali non è trascurabile. Non è insolito che un cavo Ethernet standard in Cat 5, normalmente impiegato per realizzare una rete  tra i vari uffici di un'azienda o anche all'interno di uno stabilimento di produzione e che in queste applicazioni funzioni perfettamente per molti anni,  possa invece vedere le proprie prestazioni degradarsi rapidamente se installato all'aperto, sottoposto a repentine e notevoli variazioni di temperatura e umidità e magari anche a stress meccanici. Anche perché la storia degli impianti di generazione è relativamente breve e quindi non esistono statistiche affidabili sulle prestazioni a medio lungo termine di cavi e connettori per queste applicazioni.

Ethernet per il fotovoltaico
Una linea specifica di componenti Ethernet per le applicazioni fotovoltaiche viene proposta da  Weidmuller nella linea Steadytec, che soddisfa i massimi requisiti in termini di qualità, compatibilità, affidabilità, rispetto delle norme, flessibilità e modularità. La famiglia comprende custodie premontate, anelli di siglatura e connessioni a perforazione di isolante per l'allacciamento dei conduttori; i connettori Steadytec  rispettano le specifiche Cat 6A e Classe EA e sono certificati Ghmt e 3P per tutte le applicazioni Industrial Ethernet da 10 MBit a 10 Gbit.

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