Quello dell'energia solare è un mercato in rapida espansione, con un tasso annuo di crescita composito del 35% circa negli ultimi due anni. Rispetto alle altre fonti di energia rinnovabile, il fotovoltaico offre vantaggi significativi. L'energia solare è praticamente ovunque; le installazioni sono scalabili dai piccoli sistemi per le singole abitazioni fino agli impianti di grandi dimensioni; non sono necessari rifornimenti per mantenere operativi gli impianti e ci sono poche o nessuna parte in movimento, con un impatto significativo sull'affidabilità. Il fotovoltaico rappresenta chiaramente un mercato in forte ascesa. A dimostrazione i dati relativi allo sviluppo della capacità installata e dell'energia elettrica prodotta in Germania. Il settore delle energie rinnovabili, allo stesso tempo, crea numerosi posti di lavoro: un aspetto interessante da sottolineare è che, considerate le dimensioni assolute del contributo energetico, il numero di posti di lavoro creati dal settore dell'energia solare è sproporzionatamente elevato a causa della complessa value-chain che comprende numerosi passaggi intermedi, oltre che delle economie di scala imposte dall'installazione di grandi impianti quando, per contro, il settore dell'energia generata da biomassa presenta una struttura molto più granulare. Allo stesso tempo, in Germania il contributo dell'energia solare nell'ambito delle fonti rinnovabili è soltanto del 4% (e un mero 0,6% della produzione totale di elettricità), offrendo un alto potenziale di crescita.
Esistono comunque a livello europeo delle notevoli differenze nella tipologia dei sistemi installati. Ad esempio la Germania vede molti proprietari installare piccoli impianti sui tetti delle abitazioni (con una gamma di potenza compresa tra 5 e 20 kW) mentre in Spagna predominano gli impianti di grandi dimensioni nella gamma di potenza dei megawatt, capaci di seguire il movimento del sole e caratterizzati da una resa ottimizzata e da grandi convertitori. Per la realizzazione di tali impianti sono necessarie grandi estensioni di terreno, più facili da trovare in Spagna. Ciò nonostante, impianti ad energia solare di grandi dimensioni vengono realizzati ancora oggi anche in Germania. Queste differenze implicano anche delle diversità nelle tipologie delle celle, con i grandi impianti di celle fotovoltaiche a concentrazione che offrono un nuovo concetto particolarmente interessante in Spagna, in considerazione della loro capacità di gestire superiori densità di irraggiamento.
Oggi il mercato è dominato da quattro differenti tipologie di pannelli. Le percentuali indicate relative all'efficienza sono valori medi stimati per prodotti in produzione di massa e come tali devono ritenersi puramente indicativi. Oggi l'85% circa di tutti i pannelli solari appartengono al tipo c-Si, cioè silicio monocristallino. Come accennato prima, il silicio grezzo è diventato un materiale raro, ma una scoperta recente promette di mutare la situazione. Diverse aziende hanno sviluppato un processo per la produzione di umg-Si (upgraded metallurgical Silicon), silicio artificiale non altrettanto puro come il materiale utilizzato per la produzione di semiconduttori, ma comunque di qualità sufficiente per la realizzazione di celle solari, il quale è notevolmente facile e conveniente da fabbricare. Questa scoperta potrebbe rendere i pannelli solari sensibilmente meno costosi, innescando un effetto simile sulle altre componenti del sistema quali, ad esempio, i convertitori, portando a ulteriori riduzioni dei costi.
Le problematiche della resa
La resa dei sistemi fotovoltaici è soggetta a diverse problematiche, la maggior parte delle quali è legata al modo in cui la luce raggiunge le celle, ad esempio ombra e oscurità diffusa, oppure alla polvere e ad altre particelle che si depositano sui moduli. Perchè tutto ciò costituisce una sfida? La tipica tensione di uscita di un pannello, pari a 50 V, può essere raggiunta soltanto attraverso il collegamento in serie di più celle agenti da fonti di corrente. Se una di queste celle è oscurata, l'impedenza della sorgente aumenta in maniera significativa, con la conseguenza che soltanto una minima parte della corrente fluisce attraverso l'intera catena: in pratica, il malfunzionamento di un'unica cella rende inefficace l'intera serie di celle. A livello del pannello, l'integrazione di diodi by-pass impedisce l'aumento delle proporzioni del problema, ma la resa del pannello risulta comunque compromessa. Un altro tipo di sfida ha a che fare con le celle stesse, che possono essere danneggiate o di tipo non corretto. La corrispondenza tra le celle impiegate e il tipo di convertitore, infatti, è fondamentale per far sì che il sistema operi al massimo dell'efficienza per la maggior parte del tempo. Un terzo ordine di problemi è rappresentato dalla corrosione, in quanto la vita utile di questi sistemi supera abitualmente i 20 anni. La penetrazione di acqua o sporcizia all'interno di pannelli, connettori e convertitore può causare malfunzionamenti imprevisti.
Il ruolo dell’inverter
Il convertitore è l'elemento principale situato tra i pannelli e la rete di distribuzione. Il convertitore fornisce il carico appropriato alle celle in modo da massimizzare la corrente continua generata e la converte in corrente alternata. Per fare ciò viene utilizzato un sistema di tracking Mpp (Maximum power point). Le celle possono essere viste come una fonte di corrente con un'impedenza sorgente non lineare, con il sistema di tracking Mpp che adegua il carico fino a quando tensione e corrente non risultano massimizzate, modificando l'impedenza in ingresso del convertitore boost. In un secondo momento, la corrente DC viene convertita nella corrente di uscita AC richiesta. A tale scopo, il convertitore monitora la tensione e la frequenza all'interno della griglia, unitamente alla propria corrente di uscita, in modo da regolare in maniera appropriata lo stadio di inversione. Il convertitore funge effettivamente da fonte di corrente alternata, regolando l'impedenza della griglia. La tensione intermedia deve essere più elevata di un certo margine rispetto alla tensione massima di uscita desiderata, a 220 VRMS la tensione massima è di 308 V, in modo tale da collocarsi generalmente tra 350 e 390 V. Ciò significa che un secondo convertitore può fungere da puro circuito step-down, semplificando la topologia. Non è raro trovare svariati convertitori boost collegati in parallelo per consentire la connessione di più stringhe di pannelli, che alimentano tutti un solo convertitore.
Nel sistema di grandi dimensioni numerosi convertitori sono inseriti in più rack per una potenza complessiva di 500 kW. Uno dei convertitori è estratto dal rack per mostrare la facilità della sostituzione. L'unità al centro è il sistema di monitoraggio, utilizzata per controllare tutti i convertitori e monitorare le performance delle sottosezioni dell'impianto fotovoltaico. Il convertitore o la sezione DC/AC dello stesso possono avere differenti topologie, alcune delle quali di tipo proprietario, sviluppate dai produttori dei convertitori. Una delle topologie classiche prevede l'uso di un sistema full-bridge che controlla gli induttori di uscita in modo da ridurre le emissioni Emi. In questa configurazione alcuni dispositivi possono essere commutati sulla frequenza della linea mentre altri possono essere commutati sulla frequenza di conversione. Se ciò viene fatto in maniera oculata, i primi possono essere scelti per le basse perdite di conduzione (Vcesat), come gli Igbt Npt (Non Punch Through) FS (FieldStop) di Fairchild Semiconductor, mentre i secondi possono essere scelti in base alle basse perdite di commutazione (Eoff), come i nuovi dispositivi NPT Field Stop Trench.
Migliorare la resa complessiva con Mosfet e Igbt
In questo caso, una combinazione di differenti Igbt, o anche di Igbt e Mosfet, permette di migliorare la resa complessiva. Per controllare gli switch di potenza è possibile utilizzare gate-drive isolati otticamente, come il dispositivo Fairchild FOD3180 o FOD3120, migliorando l'affidabilità del sistema in caso di alti dv/dt improvvisi, come avviene nei malfunzionamenti di rete. In applicazioni quali gli inverter solari, dove il parametro chiave è l'efficienza di conversione, i miglioramenti nelle performance di commutazione ottenibili attraverso l'uso di Igbt, Mosfet e diodi sono estremamente importanti. In questo settore le cadute di tensione e le perdite di commutazione sono ancora sicuramente migliorabili, sebbene per realizzare i potenziali risparmi siano necessari ulteriori studi riguardo il modo di gestire gli switch in maniera da evitare sovratensioni ed oscillazioni parassite. Ulteriori integrazioni dei sottosistemi in moduli di potenza intelligenti forniranno un aiuto prezioso. A causa dell’importanza della vicinanza e dell’accoppiamento ‘ideale’ che caratterizzano driver e switch di potenza si può realizzare ripetitivamente il miglior comportamento di commutazione. Fairchild è all'avanguardia tanto nelle tecnologie per switch di potenza quanto nell'integrazione dei moduli, ed è quindi in grado di garantire ulteriori miglioramenti prestazionali nei sistemi eco-compatibili ad alta tecnologia.
