Soluzioni per l’alimentazione di generatori fotovoltaici

La Global Climate Conference tenutasi a Parigi nel 2015 ha sancito un accordo sulla riduzione delle emissioni di carbonio siglato da tutte le rappresentanze dei paesi partecipanti che incentiva lo sviluppo e la diffusione delle nuove tecnologie green come la fotovoltaica e l’eolica. Sempre nel 2015, la Cina ha visto l’attuazione del tredicesimo piano quinquennale di sviluppo socio-economico per il fotovoltaico, con l’obiettivo di incrementare la realizzazione di impianti fotovoltaici fino a 150 GW. Grazie al supporto di politiche nazionali ed estere, alla richiesta del mercato e allo sviluppo dell’Internet of Energy, il fotovoltaico è destinato a crescere sempre di più rendendo anche possibile un controllo più efficiente, con il risultato di ridurre i costi, di stimolare l’innovazione tecnologica e modernizzare l’industria.
Missione globale dell’industria del settore è mettere in campo un tipo di energia pulita a costo più basso e con maggiore efficienza. Ad oggi, i sistemi che producono energia fotovoltaica si basano su una tensione d’ingresso di 1.000 Vdc. È comunque chiaro che usando una tensione più alta le perdite possono essere ridotte, raggiungendo un incremento di efficienza stimato nell’1,5-2%.

I requisiti di un sistema fotovoltaico

Un sistema fotovoltaico per la produzione di energia comprende il pannello solare, il combinatore, la cabina di distribuzione della potenza in Dc, l’inverter e il trasformatore elevatore.
In un sistema di questo genere, allo scopo di ridurre i cablaggi tra le stringhe di pannelli solari e gli inverter, queste sono divise in gruppi e collegate in parallelo per essere poi combinate elettricamente nei quadri di campo; quindi l’energia così ottenuta passerà dalla cabina Dc all’inverter e poi alla rete elettrica. La tensione in uscita dalle stringhe di pannelli solari dipende notevolmente dall’irradiazione solare a seconda delle località, dalle stagioni e dall’ora del giorno. Il quadro di campo deve rilevare tensione, corrente, potenza e integrità degli scaricatori di ogni gruppo di stringhe e implementare le funzioni di allarme, localizzazione e comunicazione del guasto. L’inverter deve rilevare tensione e corrente e pilotare la scheda di controllo per convertire la Dc in Ac. Poiché normalmente l’uscita delle stringhe di pannelli solari supera 1kv, un alimentatore convenzionale non può accettare un tale valore direttamente dalla linea ad alta tensione se non adottando la soluzione di una sorgente esterna per alimentare le molteplici unità di rilevamento dei quadri di campo e degli inverter. La contropartita di un tale approccio è una tensione operativa instabile; inoltre, una complicata cablatura e la possibilità di corto circuito potrebbero causare guasti parziali o addirittura la messa fuori servizio dell’intero sistema di rilevamento. Pertanto, nel progetto di un sistema di alimentazione per un impianto fotovoltaico è importante tenere bene in evidenza i seguenti fattori:

  • tensioni di ingresso e uscita rispettivamente di 200-1500 Vdc e 12/15/24 V;
  • isolamento tra primario e secondario: 4.000 Vac;
  • ampia dotazione di protezioni: tensione bassa e inversione di polarità all’ingresso: sovraccarico, corto circuito e sovratensione in uscita;
  • alta affidabilità anche negli ambienti più difficili;
  • disponibilità di tensioni d’uscita di 12/15/24 V.

Convertitori ad alta affidabilità

Allo scopo di soddisfare le esigenze degli impianti di produzione di energia fotovoltaica, Mornsun, i cui prodotti sono disponibili in Italia attraverso la società eMergy Tech, ha realizzato una serie di convertitori con ingresso di 200-1.500 Vdc e 4000 Vac di isolamento. Inoltre Mornsun ha in catalogo diverse soluzioni Dc-Dc in grado di assicurare l’isolamento di sicurezza tra le diverse sezioni del circuito.

Alimentare l’unità di monitoraggio del quadro di campo

Per ottimizzare la affidabilità e la operatività, il quadro di campo è provvisto di uno scaricatore in Dc per la protezione contro i fulmini, fusibile sulla Dc, sezionatore e altri circuiti con funzioni di controllo e di elaborazione, monitoraggio delle condizioni operative e di comunicazione. La Fig. 2 mostra una tipica unità di monitoraggio per un quadro di campo. Grazie all’ingresso da 200 a 1.500 Vdc e all’isolamento di 4000 Vac del Pvxx-29B24, diventa molto più semplice prelevare l’alimentazione direttamente dalla stringa di pannelli solari e convertirla a 24 Vdc per l’unità di monitoraggio. Un convertitore Dc-Dc F0505S-1WR2 è usato per pilotare il sensore di Hall con isolamento tra alta e bassa tensione, mentre un B0503XT-2WR2 provvede a fornire 3,3 Vdc isolati per la Mcu. Il ricetrasmettitore TD501D485H integra segnale di comunicazione seriale e alimentazione, entrambi isolati allo scopo di impedire interferenze elettromagnetiche e di ground loop. La soluzione illustrata, semplice e affidabile, soddisfa tutte le esigenze in termini di funzionalità e di isolamento di sicurezza.

Alimentare l’unità di monitoraggio dell’inverter fotovoltaico

Nel front end, il quadro di campo è utilizzato per combinare la corrente e, dopo l’armadio di monitoraggio, la tensione Dc viene convertita in Ac dall’inverter. Lo stato del processo di conversione deve essere monitorato, controllato e comunicato per assicurare che la tensione prodotta dall’inverter abbia le caratteristiche richieste. L’unità di monitoraggio può accettare in ingresso l’ampio range della tensione di linea a 200-1500 Vdc. Come illustrato in Fig. 3, un PVxx-29B24 riceve la alimentazione dalla linea ad alta tensione e la abbassa a 24 Vdc, mentre i regolatori a bassa caduta K7805-500R3 e K7815-500R3 forniscono al circuito che segue la giusta tensione con elevata efficienza. Un B0503XF-2WR2 fornisce la tensione isolata di 3,3 Vdc per la Mcu. Il ricetrasmettitore TD501D485H integra segnale di comunicazione seriale e alimentazione isolata, per impedire interferenze elettromagnetiche ed evitare i ground loop. Il QP12W08S-37 è un Igbt driver con alimentazione isolata, in grado di semplificare il progetto e incrementare l’affidabilità.

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