Un’infrastruttura dei servizi pubblici a energia solare

ENERGIE RINNOVABILI –

Come ottimizzare la rete di alimentazione nel sistema in modo da sfruttare al meglio la luce solare disponibile e garantire massima autonomia a bassissimo costo.

Seguendo la tendenza verso soluzioni più ecologiche, l’infrastruttura a energia solare autonoma inizia ad essere utilizzata in tutto il mondo. Per migliorare l’assistenza, la comodità e la sicurezza dei clienti, è in continuo aumento il numero delle stazioni di servizio pubblico dotate di illuminazione notturna e funzioni di comunicazione wireless. Nel Nord America si stanno diffondendo le fermate degli autobus illuminate che forniscono in tempo reale informazioni sui tempi di attesa, mentre in Europa compaiono distributori di biglietti a energia solare. Queste unità possono essere utilizzate anche nelle zone decentrate dove non conviene costruire un’infrastruttura di comunicazione elettrica e cablata. In entrambi i casi le unità devono poter comunicare senza fili per espletare le rispettive funzioni. Il ‘proof of concept’ esiste già, ma in che modo possiamo ottimizzare la rete di alimentazione nel sistema in modo da sfruttare al meglio la luce solare disponibile e garantire massima autonomia a bassissimo costo?

Caratteristiche tecniche delle celle solari
La quantità di energia prodotta da un pannello solare è proporzionale alla quantità totale di luce ricevuta. L’influenza di nuvole, alberi, sporcizia, la superficie del pannello solare e la rotazione del sole possono variare notevolmente la quantità di luce disponibile per produrre energia. Combinato con l’impedenza di uscita tipicamente elevata delle celle solari, un carico che cerca di estrarre una corrente costante relativamente grande può incontrare periodi di tempo in cui manca l’alimentazione per il carico, il caricatore e la batteria nella maggior parte dei casi. Occorre quindi applicare un circuito per controllare con precisione la corrente e, di conseguenza, ottimizzare l’energia fornita dalle celle solari all’unità di carica. Emerge una tendenza interessante per cui, a prescindere dalle condizioni di illuminazione di un determinato pannello, la potenza d’uscita massima viene fornita quando la tensione in uscita ha un valore relativamente costante, VMPP. La tensione VMPP si trova nella documentazione tecnica del pannello solare utilizzato. Allo stesso tempo può essere utile verificare il valore di VMPP in modo indipendente, creando curve I-V, usando in seguito carichi crescenti o decrescenti, a pari condizioni di illuminazione che possono essere facilmente create posizionando il pannello verso il sole con varie angolazioni. Esaminando la curva prestazionale di un pannello solare reale, non si può sottovalutare l’importanza di estrarre energia da una cella solare a VMPP. Se si potesse mantenere la tensione in uscita del pannello a un valore costante di circa 13 V, potremmo avere la certezza di avere a disposizione la quantità massima di energia per il carico. Ma come possiamo realizzare tutto ciò?

Ottimizzazione dell’energia delle celle solari
I costi di produzione dell’energia solare rimangono elevati rispetto a quelli di fonti tradizionali quali carbone e gas naturale, in parte a causa del costo delle celle solari. Mentre il costo per watt diminuisce, un documento di SolarBuzz.com del luglio 2011 indica il prezzo delle celle solari compreso nella fascia 0,96 - 2,54 € per watt di capacità produttiva di picco, in base al volume e alla tecnologia. Come indicato in precedenza, spesso il pannello non funziona alla massima capacità produttiva a causa di condizioni di luce non ideali. Inoltre occorre tener conto del potenziale conflitto d’impedenza tra la cella solare e il carico (funzionamento con valore diverso da VMPP) e includerlo nel calcolo della capacità di produzione di energia solare da prevedere nel sistema. Riducendo tale conflitto si riducono le dimensioni e il costo del pannello solare, pur ottenendo la stessa produzione di energia. Per ridurre il conflitto d’impedenza si può utilizzare un circuito Mppt (Maximum Peak Power Tracking) tra l’uscita del pannello solare e il carico. In particolare questo circuito varia il carico di corrente per mantenere la tensione a VMPP. Il circuito può essere costruito con elementi discreti usando una molti componenti oppure integrato in un dispositivo come l’LTM8062 di Linear Technology, un caricabatterie µModule di commutazione. L’Mppt offerto dall’LTM8062 è una soluzione semplice, regolabile con un solo resistore per garantire la massima potenza al carico in condizioni di illuminazione molto variabili. Il circuito Mppt dimostra al meglio la sua efficacia confrontando la potenza in uscita di due applicazioni identiche usando un pannello Solec S-70C con Mppt abilitato e Mppt disabilitato, quest’ultimo implementato portando il pin VINREG dell’LTM8062 su VIN.

Accumulo di energia:
componenti e impostazioni
del circuito a confronto

L’LTM8062 è un caricabatterie di commutazione step-down a tensione e corrente costanti (CC-CV), integrato, ad alto rendimento, che opera in un range di tensioni in ingresso compreso tra 4,95 e 32 V. La tensione variabile della batteria programmabile fino a 18,8 V gli consente di supportare uno stack di batterie costituito da 8 celle di tipo Sla (Sealed lead acid), 4 celle agli ioni di litio o litio/polimeri o 5 celle di tipo LiFePO4. Il circuito Mppt integrato rende il progetto molto meno complesso rispetto a un’implementazione discreta suggerita da altri operatori del settore e costituita da oltre dieci componenti. Come indicato in precedenza, il circuito controlla l’LTM8062 in modo da ridurre o aumentare automaticamente la corrente di carica della batteria fino a 2 A ed estrarre la massima energia dalla cella o dalle celle solari. Nell’applicazione di base l’LTM8062 richiede solo 3 componenti esterni rispetto ai 15-30 necessari per un’implementazione discreta tradizionale. Il processo di carica termina dopo un periodo regolabile dall’utente o quando la corrente di carica scende al di sotto di una soglia minima (200 mA), con una precisione della tensione della batteria dell’1,5% rispetto alla temperatura d’esercizio. Due indicatori di stato a collettore aperto, Chrg e Fault, sono utilizzabili con Led per informazioni visive. L’indicatore Chrg segnala quando il dispositivo sta caricando la batteria, mentre l’indicatore Fault segnala se la batteria non risponde alla carica entro un periodo di tempo prestabilito o si verifica un eccesso di temperatura mediante il pin di ingresso del termistore Ntc opzionale. L’LTM8062 ricarica automaticamente la batteria se la tensione diminuisce del 2,5% rispetto alla tensione variabile programmata o viene inserita una batteria nuova. Un diodo di blocco interno impedisce che la corrente inversa della batteria torni alla fonte quando la tensione delle celle solari diminuisce di notte. Per ottenere una corrente di carica maggiore si possono collegare in parallelo le uscite di più dispositivi LTM8062. Con questa configurazione i moduli possono condividere un paio di resistori di feedback. I tre moduli LTM8062 erano collegati in parallelo per una corrente di carica massima di 6A ±7,5% nello stato di carica a corrente costante. La tensione di terminazione della carica era impostata a 8,4 V. L’S-70C di Solec International è un pannello solare monocristallino che opera con una tensione in uscita di picco di 70 W. Da alcune misurazioni empiriche eseguite con diverse condizioni di illuminazione è risultata una tensione di alimentazione massima di 13 V sebbene l’etichetta indicasse una VMPP di 17 V. Questo dispositivo presenta comunque le caratteristiche prestazionali tipiche dei pannelli solari. In tutte le misurazioni il pannello era parallelo al terreno, come se fosse un tetto piano.  Dato che lo stato di carica iniziale della batteria in un’applicazione reale varia, tra le altre cose, in base all’uso del sistema, alle dimensioni della batteria e alle condizioni del cielo nei giorni precedenti, è stato usato un carico elettronico per simulare un consumo massimo di energia dal pannello solare più o meno al momento del passaggio tra regioni di carica a corrente e tensione costanti. Sollecitando i due circuiti in questo punto possiamo essere certi che il circuito potrà resistere a tutti gli altri eventi del ciclo di carica. Con una tensione di terminazione della carica di 8,4 V che corrisponde a uno stack di batterie agli ioni di litio a due celle, il carico elettronico doveva estrarre 6 A dai tre moduli di carica LTM8062 collegati in parallelo, pur mantenendo una tensione di circa 8 V.

Efficacia del Maximum Peak Power Tracking
Le misurazioni sono state effettuate con il circuito Mppt abilitato e disabilitato per tutta la giornata estiva trascorsa nella sede Linera di Milpitas in California. Chi conosce San Francisco conoscerà anche le tipiche mattinate estive in cui il cielo nuvoloso diventa perfettamente terso nel pomeriggio; proprio come è accaduto in occasione dell’esperimento che abbiamo condotto in una giornata di luglio. Le misurazioni sono state eseguite durante il normale orario di lavoro, anche se un’applicazione reale potrebbe avere a disposizione altre ore di luce prima e dopo la raccolta dei dati. La Fig. 4 mostra la corrente di carico effettiva e l’energia fornita al carico elettronico che simula la nostra batteria agli ioni di litio da 8,4 V con quasi il massimo consumo di energia nel corso della giornata, oltre alle condizioni atmosferiche che indicavano cielo sereno, tranne nei punti indicati. La corrente e l’energia fornite alla cella di batteria simulata sono notevolmente più alte quando il circuito Mppt è attivo. La corrente al carico ha avuto un miglioramento del 20% - 40%, tranne che a mezzogiorno quando è stato raggiunto il limite di corrente di carica massimo interno dell’LTM8062 con il circuito Mppt attivo. Separando per un momento il caricabatteria e il carico dal circuito, un circuito Mppt attivo estrae dal 18% al 42% in più di energia dal pannello solare rispetto a quando il circuito è disabilitato. In genere il miglioramento più netto tende a presentarsi con i livelli di luce più bassi, durante il mattino e nelle ore serali. L’energia ulteriore fornita al carico nell’arco delle 9 ore sarebbe stata di circa 240 W·hr senza il circuito Mppt e di 300W·hr con il circuito Mppt attivo, con un miglioramento del 25%. Di conseguenza, un sistema a pannelli solari da 100 W con circuito Mppt attivo al carico produrrebbe la stessa energia di un sistema solare da 125 W senza Mppt. Con un prezzo di mercato dei pannelli solari pari a 1 - 2,54 € per watt, il risparmio potenziale sarebbe di 25 – 63,5 €.

Illuminazione a basso consumo affidabile
Avendo la massima potenza in uscita perfettamente immagazzinata nella batteria, il modo più affidabile ed efficiente per garantire l’illuminazione notturna è rappresentato dai Led. I Led installati nelle nuove fermate degli autobus di San Francisco consumano 74,4 watt rispetto alle lampade a fluorescenza che consumavano 336 watt. La riduzione interessa anche i costi di gestione perché i Led hanno una durata dieci volte maggiore rispetto alla lampade a fluorescenza. Inoltre i Led hanno bisogno dell’alimentazione Dc per funzionare, quindi sono perfetti per quella fornita da celle solari e batterie. Le lampade a fluorescenza consumano tensione Ac, normalmente in un range compreso tra 200 V e 1500 kV, e richiedono un driver costoso e complesso per funzionare con l’alimentazione Dc. L’alimentazione Ac a tensione relativamente alta necessaria per le lampade a fluorescenza può anche causare interferenze a potenziali comunicazioni wireless descritte più avanti. Rispecchiando l’efficienza, l’affidabilità e la convenienza dell’LTM8062, il driver per Led a corrente costante LTM8042 offre un’interessante soluzione per le esigenze di illuminazione. A prescindere dal tipo di funzionamento (boost, buck o buck-boost), l’LTM8042 e l’LTM8042-1 vengono configurati facilmente per fornire, rispettivamente, fino a 1 A e 350 mA di corrente costante. In questo esperimento il pacco di batterie agli ioni di litio da 8,4 V simulato fornisce maggior parte della sua energia a circa 7 V, consentendo all’LTM8042 di supportare una stringa di Led da 700 mA fino a 16 V, per un flusso luminoso di 1300 lumen, usando Led bianchi neutri XLAMP XM-L di Cree. Con lo stesso pacco di batterie l’LTM8042-1 potrebbe controllare una stringa di Led da 24 V a 350 mA fornendo un flusso luminoso di 1040 lumen usando Led bianchi neutri Luxeon Rebel ES di Lumileds. Installando in serie due pannelli solari per aumentare VMPP a 26 V e aumentando lo stack di batterie a 16,8 V, si potrebbe ottenere un flusso luminoso di 2880 lumen con Led XLamp XM-L o di 1430 lumen con Led Luxeon Rebel ES a 350 mA. Sia l’LTM8042 che l’LTM8042-1 costituiscono una soluzione per Led completa che funziona in un range di tensioni comprese tra 3 e 30 V e richiede solo 3 componenti esterni. Per risparmiare energia all’alba e al tramonto l’LTM8042 supporta due metodi di dimming. È possibile ottenere un rapporto di dimming di 3000:1 usando l’ingresso Pwm. Per il dimming analogico occorre un resistore o una tensione. La frequenza di commutazione è regolabile da 250 kHz a 2 MHz e può essere sincronizzata con un clock esterno fino a 2,5 MHz per applicazioni sensibili al rumore.

Il segreto è nella chiarezza
della comunicazione

A prescindere che si tratti di Wi-Fi, Hspa, Lte o di un altro standard wireless, i sistemi di comunicazione consumano sempre meno energia, mentre è in continuo sviluppo il settore dell’assistenza tecnica. È facile aggiungere la comunicazione wireless all’infrastruttura dei servizi pubblici. Le fermate dei mezzi pubblici forniscono ai passeggeri informazioni aggiornate in tempo reale. I distributori di biglietti consentono di effettuare pagamenti elettronici. I sensori a energia solare iniziano a essere installati nelle strade delle principali città per indicare ai conducenti la presenza di parcheggi aperti e, di conseguenza, ridurre il traffico. La capacità di comunicare chiaramente informazioni da e verso il sistema è fondamentale, soprattutto la comunicazione wireless, se il sistema non è allacciato alla rete ovunque non esista un’infrastruttura cablata di tipo tradizionale.  Le soluzioni a basso rumore sono importanti nella comunicazione wireless ai fini di una migliore ricezione e trasmissione del segnale. Linear Technology offre otto regolatori µModule step-down Dc/Dc semplici e facili da usare, che sono conformi alla norma EN55022 Classe B sulle interferenze elettromagnetiche e offrono la massima corrente di uscita del settore. I file Gerber dei test condotti con la scheda di dimostrazione standard sono a disposizione di tutti i progettisti. Le prestazioni Emi sono state verificate con test di terze parti e i relativi rapporti sono disponibili on-line. La linea di regolatori µModule step-down di Linear Technology, conformi alla norma EN55022 Classe B, operano con tensioni in ingresso fino a 36 V e corrente in uscita fino a 8 A, con condivisione della corrente in uscita tra più moduli e conseguente aumento della capacità a più di 32 A. I progettisti che realizzano reti di comunicazione wireless con notevoli esigenze in materia di durata li considerano uno strumento prezioso.

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