Elettronica di potenza per l’energia solare

FOTOVOLTAICO –

I convertitori utilizzati negli impianti fotovoltaici devono assicurare basse perdite ed essere dotati della capacità di elaborazione necessaria per eseguire gli algoritmi Maximum Power Point Tracker.

Le nuove tecnologie per la fabbricazione di celle solari sempre più efficienti ricevono comprensibilmente molta attenzione da parte dei media e della comunità tecnica. Tuttavia l'efficienza complessiva di un impianto fotovoltaico non dipende unicamente dai pannelli solari, ma anche dall'elettronica di potenza incaricata di svolgere le conversioni necessarie per rendere utilizzabile l'energia elettrica prodotta.

Due conversioni
Prima di esaminare il ruolo dell'elettronica di potenza è utile ricordare brevemente come funziona un tipico impianto fotovoltaico con topologia multistring, in un'applicazione finalizzata a iniettare energia nella rete pubblica. 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.

Gli algoritmi Mppt
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
Considerando che l'ottimizzazione del punto di lavoro delle celle influisce notevolmente sull'efficienza di conversione, diviene evidente come le tradizionali topologie di impianto basate su un unico inverter (cioè su una conversione Dc-Ac centralizzata) non consentano 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.

I requisiti dell'elettronica di potenza
A quali requisiti deve quindi rispondere l'elettronica di potenza utilizzata negli impianti fotovoltaici? Per quel che riguarda i circuiti di controllo, i convertitori devono essere dotati di una notevole capacità di elaborazione pur mantenendo prezzi competitivi, particolarmente nel caso delle topologie basate su micro-inverter che comportano una proliferazione dei punti di conversione. Texas Instruments, ad esempio, propone per questo tipo di applicazioni i microcontrollori della famiglia Piccolo, che uniscono un'architettura a 32 bit a un prezzo contenuto. Ai componenti di potenza, invece, viene richiesto “semplicemente” di minimizzare le perdite di conversione, per non sprecare l'energia faticosamente raccolta tramite grandi estensioni di pannelli solari. Poiché le conversioni in gioco sono effettuate tramite sistemi a commutazione, occorre considerare sia le perdite di conduzione (dovute alla resistenza indesiderata che i commutatori a stato solido presentano nello stato “on”), sia le perdite di commutazione (legate al passaggio tra lo stato “on” e lo stato “off” e viceversa). Occorre ricordare, inoltre, che queste ultime - per ogni dato componente - sono funzione anche della frequenza di commutazione stessa.

La conversione Dc-Dc
Per quanto riguarda i convertitori Dc-Dc, che generalmente operano a 100 kHz, tra i componenti di potenza che assicurano basse perdite di conduzione sono compresi - ad esempio - i transistor a supergiunzione come quelli della famiglia CoolMOS di Infineon. Oltre ad essere adatti all'applicazione in termini di frequenza e tensione, questi semiconduttori sono caratterizzati da un resistenza in stato “on” nettamente inferiore a quella dei Mosfet standard. Ma anche il diodo di “freewheeling” contribuisce alle perdite dei convertitori Dc-Dc; in questo caso lo spreco di energia è dovuto a un insoddisfacente comportamento di “reverse recovery” (in altri termini, tra l'applicazione della polarizzazione inversa e l'effettivo azzeramento della corrente trascorre un certo intervallo di tempo). Per questo motivo Infineon suggerisce l'impiego di diodi Schottky in carburo di silicio, caratterizzati appunto da un ottimo comportamento di “reverse recovery”.

La conversione Dc-Ac
La conversione Dc-Ac avviene a frequenze di commutazione di circa 16-20 kHz, che si prestano all'impiego degli Igbt. Per quanto riguarda le prestazioni di questi componenti, anche in questo caso occorre distinguere tra le perdite di conduzione e quelle di commutazione, tenendo conto della topologia circuitale utilizzata per costruire la sinusoide. Nella topologia “full bridge”, ad esempio, solo due dei quattro Igbt sono utilizzati per la Pwm a 20 kHz, mentre gli altri due servono per determinare il verso della corrente sul carico, ossia per passare dalla semionda positiva alla semionda negativa, e pertanto operano a 50 Hertz. La scelta dei componenti più adatti per i diversi lati del ponte deve quindi considerare la somma delle perdite di conduzione e di commutazione alla effettiva frequenza di funzionamento. Per questo motivo International Rectifier suggerisce l'impiego di Igbt ultraveloci sui due lati che commutano a 20 kHz, mentre per i due lati operanti a 50 Hz sono preferibili Igbt a velocità standard.

Fotovoltaico in calo nel 2009
Per la prima volta in assoluto, nel 2009 il mercato mondiale dei pannelli solari ha subito una contrazione. Questa battuta d'arresto è stata causata in primo luogo dalla cessazione degli incentivi forniti dal governo spagnolo, ma ovviamente anche la recessione economica ha fatto sentire il proprio peso. L'anno da poco concluso ha segnato quindi la fine di un primo ciclo nell'evoluzione del mercato fotovoltaico, che dimostra appunto di avere un andamento ciclico e di essere ancora fortemente dipendente dagli incentivi pubblici. Questa analisi è sostanzialmente condivisa da due delle principali società di ricerche che seguono il settore, iSuppli e DisplaySearch; la prima valuta il calo nella misura del 3,8%, precisando che la buona tenuta del mercato tedesco ha consentito di limitare i danni; la seconda invece parla di una contrazione del 14%. Entrambe le società sottolineano che l'industria dei pannelli solari è affetta da un forte eccesso di capacità produttiva, problema che secondo iSuppli potrebbe allungare i tempi della ripresa. Più ottimista DisplaySearch, che prevede già per il 2010 una crescita del 38%.

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