Massimizzare l’efficienza e l’affidabilità dei sistemi fotovoltaici residenziali: guida completa con soluzioni onsemi

La diffusione di sistemi fotovoltaici residenziali, che andrà aumentando nel corso dei prossimi cinque anni, garantirà numerosi vantaggi agli utilizzatori: grazie a tali sistemi, essi potranno utilizzare una fonte di energia affidabile, pulita ed ecologica per alimentare elettrodomestici, ricaricare veicoli elettrici e restituire energia alla rete. Questo articolo, dopo una descrizione dei principali componenti di un sistema fotovoltaico residenziale, illustrerà i vantaggi derivati dall’adozione di una gamma di soluzioni di potenza di onsemi che possono contribuire a rendere i sistemi fotovoltaici più efficienti, affidabili ed economici.

Inverter di sistemi residenziali fotovoltaici: principi di base

L’inverter è il nucleo centrale di un sistema fotovoltaico residenziale, il quale risulta formato da una matrice (array) di pannelli fotovoltaici che genera una tensione continua (DC) variabile. Un convertitore DC-DC di tipo boost (si faccia riferimento allo schema di figura 1) incrementa questa tensione al valore della tensione del “DC-Link” (connessione in continua) utilizzando la tecnica denominata MPPT (Maximum Power Point Tracking – inseguimento del punto di massima potenza), che ottimizza l’energia catturata in funzione dell’intensità e della direzione della luce solare durante il giorno.

Un inverter DC-AC monofase, converte la tensione del “DC-Link” (solitamente inferiore a 600 VDC) della matrice di pannelli fotovoltaici in una tensione alternata (AC), da 120 a 240 V, che viene connessa a un carico oppure alla rete.

Anche se esistono parecchi tipi di inverter fotovoltaici per applicazioni residenziali, i due più comuni sono i micro-inverter e gli inverter di stringa (Fig. 2). Un sistema fotovoltaico basato su micro-inverter utilizza più inverter DC-AC, ciascuno dei quali è collegato a un singolo pannello fotovoltaico, che solitamente produce in uscita una potenza massima di 1 kW. Si tratta di un approccio senza dubbio efficiente, in quanto il livello di tensione di ciascun pannello viene monitorato su base individuale. Oltre a ciò, i sistemi basati su micro-inverter possono essere adattati in modo semplice al fabbisogno energetico richiesto. Un sistema basato su inverter di stringa, invece, abbina abbina gli ingressi provenienti da più pannelli fotovoltaici connessi in serie per fornire tensioni dell’ordine delle centinaia di Volt. La connnessione in serie di numerosi panelli fotovoltaici, tuttavia, può risultare un approccio meno efficiente rispetto a quello che prevede il ricorso a micro-inverter. Infatti, se un pannello riceeve meno luce rispetto agli altri connessi in serie, l’uscita del sistema complessivo verrà penalizzata. I sistemi con inverter di stringa risultano solitamente più economici rispetto a quelli a micro-inverter, che richiedono la presenza di un inverter per ciascun pannello.

 

Con un ottimizzatore di potenza (un convertitore DC-DC con funzionalità MPPT integrata) è possibile incrementare l’efficienza dei sistemi con inverter di stringa. Un dispositivo di questo tipo converte la tensione continua variabile dei pannelli fotovoltaici in un valore di tensione continua fisso, in modo che un’eventuale valore di uscita ridotto di un singolo pannello fotovoltaico non influenzi l’efficienza del sistema complessivo.

Sistemi di accumulo dell’energia a batteria

In un sistema fotovoltaico residenziale, un altro componente essenziale è il sistema di accumulo dell’energia a batteria (BESS – Battery Energy Storage System). Nella maggior parte dei casi, l’energia viene catturato nei periodi in cui la sua richiesta è minima, a esempio durante le ore diurne quando gli occupanti di un’abitazione sono solitamente assenti. L’utilizzo di una batteria a ioni di litio o al piombo acido per immagazzinare l’energia permette di utilizzare l’energia quando serve, ovvero di sera quando l’abitazione è occupata. Un convertitore bi-direzionale connette il sistema BESS al sistema fotovoltaico. Quando i pannelli fotovoltaici producono potenza, il convertitore carica il banco di batterie. Durante la notte, quando i pannelli non producono energia, il convertitore bidirezionale rilascia l’energia immagazzinata nelle batterie per pilotare i carichi. L’immagazzinamento locale di energia permette inoltre di avere una fonte di potenza di riserva in caso di interruzioni della rete (blackout) o di insufficiente erogazione di energia. Grazie alla concezione modulare, è possibile aggiungere sistemi di immagazzinamento dell’energia senza dover apportare modifiche sostanziali al sistema esistente.

Convertitore DC-DC boost

Nel caso di sistemi residenziali il convertitore DC-DC di tipo boost è la topologia non isolata più comune, mentre nel caso sia richiesto l’isolamento l’opzione più diffusa prevede il ricorso a un convertitore flyback.

In entrambi i casi, si tratta di topologie di costo contenuto caratterizzate da un fattore di forma ridotto.

Inverter DC-AC

Gli inverter utilizzati nei sistemi residenziali possono essere realizzati utilizzando differenti topologie: un esempio è il convertitore HERIC H6.5 (Fig. 3) che impiega il modulo IGBT NXH75M65L4Q1 di onsemi. Questo progetto non prevede il ricorso a un trasformatore, con conseguente riduzione di dimensioni, peso e costo del sistema complessivo. La topologia adottata, inoltre, permette di attenuare le correnti di dispersione provocate dalla tensione di modo comune (CM – Common Mode) che agisce sulle capacità parassite dell’array fotovoltaico. Oltre a ciò, assicura un livello di efficienza maggiore rispetto a quello di un approccio basato su un ponte ad H. Solitamente, una topologia a 3 livelli di questo tipo è consigliata per applicazioni sia monofase sia trifase per minimizzare le distorsioni e fornire una tensione di uscita più uniforme.

 

Convertitore DC-DC bidirezionale

Un convertitore di questo tipo carica e scarica la batteria presente in un sistema di accumulo dell’energia. Esso solitamente utilizza una topologia CLLC risonante o DAB (Dual Acive Bridge) buck-boost isolata, supporta ampi intervalli di tensione di ingresso e di uscita e utilizza la commutazione a tensione nulla (ZVS – Zero Voltage Switching) per aumentare l’efficienza. Un altro vantaggio da tenere in considerazione è la salvaguardia (safety) degli utilizzatori, garantita dall’isolamento tra il pacco batteria e il pannello fotovoltaico.

IGBT per sistemi fotovoltaici residenziali

onsemi propone IGBT in silicio con tensioni nominali di 600 e 650 V adatti per sistemi fotovoltaici residenziali. Questi IGBT, caratterizzati da regioni mesa ridotte e realizzati sfruttando la tecnologia FS (Field Stop) 4 che prevede un’ampia struttura a trincea (trench), garantiscono l’immunità dai fenomeni di latch-up e capacità di gate ridotte. Lo strato di “field stop” permette di incrementare la capacità di blocco e diminuire lo spessore della regione di deriva, il che comporta una riduzione delle perdite di energia di conduzione e di commutazione a valori inferiori a 30 μJ/A. Un chip IGBT più sottile contribuisce a diminuire la resistenza termica, mentre una regione mesa più stretta permette di aumentare la densità di potenza, in modo da poter ospitare IGBT in package più piccoli a parità di corrente. Un progetto che prevede l’uso di IGBT realizzati utilizzando la tecnologia FS4 assicura una maggiore efficienza in presenza di carichi di valore ridotto in un convertitore boost da 4 kW rispetto a quella che si otterrebbe da un covertitore realizzato utilizzando la tecnologia FS 3 (Field Stop 3), e le sue prestazioni sono confrontabili con quelle di altri dispositivi della concorrenza (si faccia riferimento alla figura 4).

 

Il SiC permette di aumentare le prestazioni degli impianti fotovoltaici residenziali

Utilizzati al posto dei tradizionali dispositivi in silicio, quelli in carburo di silicio (SiC – Silicon Carbide) permettono di realizzare inverter per sistemi fotovoltaici residenziali di dimensioni ridotte e con migliori prestazioni. Rispetto ai dispositivi in silicio, le perdite di energia in fase di accensione (Eon) e spegnimento (Eoff) sono sensibilmente inferiori durante la commutazione a elevata frequenza. Oltre a ciò, i dispositivi SiC assicurano una maggiore stabilità rispetto ai tradizionali IGBT su un intervallo di temperatura più ampio, a tutto vantaggio dell’affidabilità. Senza dimenticare che i dispositivi SiC generano meno interferenze EMI rispetto ai MOSFET a super giunzione in presenza di frequenze di commutazione elevate. Le migliori prestazioni termiche e le minori perdite di commutazione durante il funzionamento ad alte frequenze permettono di ridurre l’ingombro del sistema complessivo, consentendo lo sviluppo di inverter più leggeri. I MOSFET SiC discreti da 650 V di onsemi sono caratterizzati da bassi valori di RDS(ON) in tutti gli intervalli di variazione di VGS e di temperatura e possono essere pilotati utilizzando una tensione di gate negativa. Ciò contribuisce a incrementare l’immunità al rumore ed evitare false accensioni quando vengono utilizzate nelle topologie a ponte.

Ridurre i tempi di sviluppo di sistemi fotovoltaici residenziali

onsemi propone un’ampia gamma di prodotti e tool per semplificare la scelta dei componenti da utilizzare per la realizzazione di sistemi fotovoltaici, compresi design di riferimento come SECO−HVDCDC1362−40 W−GEVB, un alimentatore ausiliario ad alta tensione da 40 W basato su dispositivi SiC disponibile sotto forma di scheda di valutazione. A corredo viene fornita tutta la documentazione (manuale utente, BoM, file Gerber, etc.) necessaria per accelerare la fase di sviluppo. onsemi mette anche a disposizione modelli SPICE per tutti i progettisti che vogliono effettuare sviluppi e valutazioni più dettagliate del sistema. Questi modelli SPICE possono aiutare nell’analisi del comportamento nella fase di recupero inverso dei dispositivi di commutazione e degli effetti parassiti a livello di circuito, modulo e chip. Essi supportano inoltre le simulazioni termiche, utili per valutare gli effetti dell’auto-riscaldamento.

Sistemi fotovoltaici residenziali: una fonte di energia affidabile e sostenibile

La generazione e l’accumulo di energia fotovoltaica sono tecnologie indispensabili, grazie alle quali sarà possibile ridurre le emissioni di anidride carbonica e realizzare fonti di energia sostenibile in ambito residenziale. L’utilizzo dei dispositivi in silicio e carburo di silicio di onsemi permetterà a tali sistemi di garantire i livelli di efficienza e affidabilità richiesti per soddisfare le eigenze degli utilizzatori a costi inferiori.