Conversione della potenza

Campo fotovoltaico

Il sistema fotovoltaico e i suoi componenti principali: I sottosistemi dell’ impianto fotovoltaico

 

Un Sistema Fotovoltaico, un sistema cioè in grado di raccogliere l’energia luminosa, convertirla in energia elettrica in forma utile all’utenza e trasferirla alla rete utente o alla rete di distribuzione, è costituito dai sottosistemi:

  • Campo o Generatore fotovoltaico
  • Strutture di sostegno moduli
  • Sistema di conversione della potenza
  • Sistema di interfaccia rete

Il generatore fotovoltaico

  Un “campo fotovoltaico” è costituito da un insieme di stringhe di moduli fotovoltaici installati meccanicamente nella sede di funzionamento e connesse elettricamente tra loro.Dal punto di vista elettrico il campo FV costituisce il “Generatore fotovoltaico” dell’impianto. Il campo FV poi, nel caso di potenze significative, è costituito da Sub campi (collegamento elettrico in parallelo di un certo numero di stringhe).

La potenza nominale (o massima, o di picco) del generatore fotovoltaico è la potenza determinata dalla somma delle singole potenze nominali (o massima, o di picco) di ciascun modulo costituente il generatore fotovoltaico, misurate alle condizioni standard (STC Standard Test Conditions).

Per Condizioni Standard (STC) si intendono le condizioni di riferimento per la misurazione dei moduli:

  • Irraggiamento a 1000W/m2
  • Spettro solare riferito ad un Air Mass di 1,5
  • Temperatura di cella di25°C.

Tipicamente questa misura viene eseguita in laboratorio con un simulatore solare in quanto è molto difficile riprodurre queste condizioni in un ambiente esterno.

  • Moduli, stringhe, generatore
  •  Più moduli, collegati elettricamente in serie in modo da fornire la tensione richiesta, costituiscono una stringa.
  • Più stringhe collegate, generalmente in parallelo, per fornire la potenza richiesta, costituiscono il Campo o generatore fotovoltaico.
  • Il generatore fotovoltaico, insieme al sistema di controllo e condizionamento della potenza (inverter) e ad altri dispositivi accessori di interfacciamento alla rete o al sistema di accumulo, costituiscono l’impianto fotovoltaico

Le caratteristiche del generatore fotovoltaico vengono in genere definite mediante due parametri elettrici: la potenza nominale Pn e cioè la potenza erogata dal generatore FV in condizioni standard (STC: irraggiamento di 1000W/m2, temperatura di funzionamento dei moduli di25°Ce Air Mass 1,5) e la tensione nominale Vn ossia la tensione alla quale viene erogata la potenza nominale.

Nella fase di progettazione di un campo fotovoltaico, particolare importanza riveste  la scelta della tensione nominale di esercizio. Infatti, le elevate correnti che si manifestano per piccole tensioni comportano la necessità di adottare cavi di maggiore sezione e dispositivi di manovra più complessi; di contro, elevate tensioni di lavoro richiedono adeguate e costose protezioni. Pertanto, un’opportuna scelta della configurazione serie/parallelo del campo fotovoltaico consente di limitare le perdite e di incrementare l’affidabilità del sistema.

Che cos’è il kWp

Un campo fotovoltaico di potenza pari ad 1 kWp corrisponde ad un insieme di moduli FV, disposti in serie, in grado di generare energia elettrica di potenza pari ad 1 kW se sottoposti ad un irraggiamento solare di 1.000 W/m2, alla temperatura di 25°Ced Air Mass 1,5. L’energia prodotta dall’impianto varia nel corso dell’anno e soprattutto della giornata, in funzione delle condizioni meteorologiche e dell’altezza del sole sull’orizzonte.

Il campo unitario-tipo di cui prima genererà una potenza via via crescente a partire dalle prime ore del mattino, sino ad 1 kW quando il sole si trova allo zenit, per poi decrescere gradualmente sino a portarsi allo zero quando il sole sarà tramontato.

Un campo fotovoltaico di potenza pari ad 1 kWp corrisponde ad un insieme di moduli FV, disposti in serie, in grado di generare energia elettrica di potenza pari ad 1 kW se sottoposti ad un irraggiamento solare di 1.000 W/m2, alla temperatura di25°Ced Air Mass 1,5.

L’energia prodotta dall’impianto varia nel corso dell’anno e soprattutto della giornata, in funzione delle condizioni meteorologiche e dell’altezza del sole sull’orizzonte. Il campo unitario-tipo di cui prima genererà una potenza via via crescente a partire dalle prime ore del mattino, sino ad 1 kW quando il sole si trova allo zenit, per poi decrescere gradualmente sino a portarsi allo zero quando il sole sarà tramontato.

1 kWp, installato in una località con insolazione pari a quella riscontrabile in una località dell’Italia centrale [media annuale = 4,7 kWh/(m2 * giorno)], è in grado di produrre almeno 1.300 kWh di energia elettrica utile all’anno.

1 kWp, installato in una località con insolazione pari a quella riscontrabile in una località dell’Italia centrale [media annuale = 4,7 kWh/(m2 * giorno)], è in grado di produrre almeno 1.300 kWh di energia elettrica utile all’anno.

In figura viene mostrata la configurazione tipica di un generatore fotovoltaico, dove più moduli sono collegati in serie per formare una stringa e più stringhe sono connesse in parallelo per costituire il campo. Nello schema, di seguito riportato, è possibile osservare la presenza dei diodi di by-pass disposti in parallelo ai singoli moduli e del diodo di blocco posto in serie a ciascuna stringa idoneo ad impedire che gli squilibri di tensione tra le singole stringhe, nel caso di sbilanciamento nell’erogazione di potenza da parte delle stesse, possano dar luogo alla circolazione di una corrente inversa verso le stringhe a tensione minore.

I diodi di blocco, dimensionati sulla base delle specifiche elettriche del campo fotovoltaico (corrente di cortocircuito del modulo Isc, tensione a vuoto della stringa Voc), sono generalmente contenuti all’interno del quadro di parallelo stringhe il quale raccoglie il contributo elettrico fornito dalle singole stringhe. Il diodo di by-pass consente, invece, di cortocircuitare e quindi isolare il singolo modulo o parte di esso, in presenza di due o più diodi per modulo, nel caso di un malfunzionamento limitando in tal modo la brusca riduzione della potenza erogata dal modulo e/o dalla stringa che si manifesterebbe in sua assenza.

Infine, è opportuno ricordare che l’energia prodotta da un generatore fotovoltaico è proporzionale alla quantità di radiazione solare raccolta sul piano dei moduli. Infatti, quest’ultimi al fine di ottimizzare la produzione di energia elettrica vengono orientati verso sud (angolo di azimut uguale a zero) con un’inclinazione rispetto al piano orizzontale (angolo di tilt) prossima alla latitudine del sito di installazione in modo tale da rendere massima l’energia solare raccolta sulla loro superficie.

 

Il sistema fotovoltaico e i suoi componenti principali: Il sistema di conversione e controllo della potenza

 

Il convertitore CC/CA – inverter – è un dispositivo che converte la corrente continua in corrente alternata. Questo dispositivo assume il ruolo di sistema di condizionamento e controllo della potenza erogata dal generatore. Esso infatti, nonostante la caratteristica di variabilità dei parametri tensione e corrente erogati dal campo al variare dell’irraggiamento solare e della temperatura delle celle FV, funzionando come un trasformatore in corrente continua con rapporto di trasformazione variabile, si adopera per fornire un valore costante per la tensione in uscita dal generatore FV, nonostante le fluttuazioni della tensione in uscita dal campo

 

 

L’inseguitore del punto di massima potenza, MPPT  (Maximum Power Point Traker) (convertitore CC/CC) è un dispositivo interno all’inverter che esercita la funzione d’interfaccia tra l’utilizzatore e il generatore fotovoltaico; esso fa sì che il generatore fotovoltaico “veda” sempre ai suoi capi un carico ottimale per cedere il massimo della potenza. Esso varia il suo punto di lavoro in modo da estrarre dal generatore, istante per istante, la massima potenza disponibile.

convertitori statici negli impianti fotovoltaici

I convertitori statici di potenza utilizzati negli impianti fotovoltaici consentono di convertire le grandezze elettriche in corrente continua di uscita del generatore fotovoltaico in grandezze alternate idonee per il trasferimento dell’energia ad una rete o utenza in corrente alternata.

La conversione da corrente continua in corrente alternata viene realizzata tramite un “ponte di conversione” il quale utilizza dispositivi semiconduttori (generalmente IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor o MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) pilotati con sequenze di impulsi di comando controllati. Nella maggior parte degli inverter commerciali la commutazione del ponte avviene ad una frequenza superiore di quella di rete (qualche decina di migliaia di Hz) mediante la tecnica PWM (Pulse Width Modulation) di modulazione della durata degli impulsi, la quale consente di generare una successione di treni di impulsi di durata proporzionale al valore, assunto in quell’istante, dell’onda sinusoidale richiesta.

I convertitori possono essere classificati in due tipologie fondamentali:

  •  commutazione naturale o di rete (Line Commuted Inverter, LCI);
  • commutazione forzata o autocommutati (Self Commuted Inverter, SCI).

Negli inverter LCI la tensione di rete, necessariamente attiva, costituisce il riferimento per la generazione degli impulsi di comando (accensione e spegnimento) dei componenti semiconduttori. Invece, nei convertitori SCI gli impulsi sono generati da un apposito sistema di controllo provvisto di un clock autonomo che stabilisce la frequenza di riferimento e di una sorgente di energia che consente la commutazione e/o l’interdizione dei dispositivi di potenza.

Negli impianti fotovoltaici grid-connected la tensione continua da convertire in alternata è quella generata dal campo fotovoltaico, mentre nei sistemi stand-alone con accumulo è quella presente nel nodo di generazione campo fotovoltaico-sistema di accumulo.

Gli inverter per sistemi connessi a rete sono sempre provvisti del dispositivo di inseguimento del punto di massima potenza (Maximum Power Point Tracker, MPPT) il quale consente al convertitore di variare la propria impedenza di ingresso per assumere quella necessaria a realizzare il massimo trasferimento di potenza all’utilizzatore. Questa funzione viene svolta generalmente da un primo ponte di conversione dc-dc per mezzo di un’unità di controllo a microprocessore.

In particolare, viene effettuata un’azione di regolazione della tensione o della corrente di uscita (a seconda delle tecniche utilizzate) in modo tale che l’inverter venga visto dalla rete, nel primo caso, come un generatore di tensione che regola il suo angolo di carico (sfasamento tra le tensioni del generatore e di rete) per trasferire la massima potenza, e nel secondo caso, come un generatore di corrente il quale inietta in rete una corrente proporzionale alla massima potenza trasferibile.

Un secondo stadio di conversione dc-ac, sincronizzato con la frequenza di rete, provvede a fornire la potenza d’uscita con le caratteristiche desiderate di tensione e frequenza. Nel caso in cui non sia necessario realizzare un particolare “adattamento di tensione” tra l’ingresso (lato generatore FV) e l’uscita (lato carico o rete), le azioni di controllo dell’MPPT e di regolazione delle grandezze di uscita (tensione e corrente) possono essere entrambe effettuate mediante un unico stadio di conversione dc-ac.

A valle dello stadio di conversione finale sono sempre presenti una sezione di filtraggio delle armoniche di corrente iniettate in rete ed i dispositivi di protezione di interfaccia lato carico (generalmente dispositivi di massima e minima tensione, massima e minima frequenza, massima corrente) idonei a soddisfare le prescrizioni per il collegamento alla rete elettrica stabilite dalle norme tecniche di riferimento.

Lo schema a blocchi di principio di un convertitore idoneo ad essere connesso alla rete elettrica è riconducibile in generale a quello riportato in figura.

Schema a blocchi generico di un convertitore dc-ac

Gli inverter per sistemi stand-alone sono costituiti da un ponte di conversione, generalmente con trasformatore a valle e da un regolatore interno in grado di assicurare un valore costante della tensione e (frequenza) di uscita al variare della tensione continua di ingresso in un campo di valori stabilito. Allo stadio di conversione fa seguito una sezione di filtraggio delle armoniche ed un’altra comprendente i dispositivi di protezione lato carico. A seconda dell’architettura di sistema gli inverter possono essere provvisti o no di un trasformatore inserito in posizione intermedia tra i due stadi di conversione (HFTR – High Frequency Transformer), oppure all’uscita dello stadio finale (LFTR – Low Frequency Transformer).

Il trasformatore consente di adattare la tensione di uscita del convertitore a quella di rete, nonché di garantire la condizione di separazione metallica tra il sistema di generazione fotovoltaica e l’utenza con la possibilità di una differente modalità di gestione del campo fotovoltaico (sistema TT, TN, IT).

Gli sforzi di ricerca e sviluppo sostenuti dai principali operatori del settore (enti di ricerca pubblici e privati, industrie produttrici, ecc.) si pongono come obiettivo principale lo sviluppo e la realizzazione di convertitori statici caratterizzati da valori di efficienza di conversione sempre maggiori e da elevati indici di prestazione (affidabilità, qualità dell’energia immessa in rete, ecc.) compatibilmente con il necessario contenimento dei costi.