I ricercatori che operano nel campo delle celle fotovoltaiche negli ultimi anni hanno focalizzato i loro sforzi sull'aumento dell'efficienza della conversione fotovoltaica e concentrato la loro attenzione sui materiali che possono essere impiegati per produrre energia dal sole. Sebbene il silicio amorfo rimanga l'elemento più utilizzato da coloro che operano nel settore del solare fotovoltaico, sono via via emerse nuove tecnologie che spaziano dai processi a film sottile basati sul telluluro di cadmio ai processi basati su concentratori che prevedono la distribuzione di più strati di material fotovoltaico per “imbrigliare” uno spettro più ampio possibile della luce visibile. In ogni caso, i risultati relativi alla conversione delle celle solari ottenuti sulla base di standard quali lo spettro di riferimento AM1.5D proposto da Astm (American Society for Testing and Materials) danno solo un'indicazione parziale della quantità di energia che un pannello solare integrato sarà in grado di produrre una volta installato. Quello che conta è il numero di kW/h che il pannello sarà in grado di erogare in condizioni reali. La componente elettronica celata sotto ogni pannello riveste un ruolo sempre più cruciale in questa equazione. È molto raro il caso in cui la luce che colpisce un pannello rispecchi fedelmente lo spettro AM1.5D utilizzato per la verifica delle prestazioni di ogni singola cella. Fattori quali l'ombreggiamento hanno un notevole impatto sull'efficienza di un pannello fotovoltaico. In base agli studi condotti dal National Renewable Energy Laboratory statunitense, l'ombra che cade su una porzione inferiore al 3% dell'area di un'installazione solare può ridurre la sua efficienza di uscita in percentuale superiore al 15%. Ciò è dovuto al fatto che l'ombreggiamento di parte del pannello può avere un effetto domino su altre celle presenti nel pannello nel caso queste facciano parte del medesimo circuito.
Ciascun modulo fotovoltaico presenta una curva corrente-tensione (I-V) caratteristica che dipende dalla temperatura e dalla luce incidente. Un tipico modulo realizzato in silicio potrebbe generare un'elevata tensione ma una ridotta corrente in una fredda e tetra giornata d'inverno. Al crescere dell'illuminazione, la tensione diminuirà leggermente ma la corrente aumenterà in modo significativo fino a raggiungere un asintoto. Oltre questo punto, la corrente potrebbe subire ancora un leggero incremento ma la tensione può diminuire drasticamente. Di conseguenza, il ginocchio della curva rappresenta il punto di funzionamento ottimale del modulo. Anche la temperatura ha un effetto di notevole importanza sull'efficienza di uscita di picco del modulo. Le alte temperature provocano una diminuzione della tensione di uscita del modulo. Quindi anche durante i periodi di intensa insolazione, quando dovrebbero operare in condizioni di massima efficienza, i pannelli fotovoltaici potrebbero evidenziare riduzioni dell'efficienza di conversione nel caso i circuiti elettronici non siano in grado di assicurare un'adeguata compensazione.
Due elementi fondamentali
Per quanto concerne l'efficienza, sono due i parametri da tenere in considerazione. Il primo è lo sviluppo di un progetto in grado di mantenere la temperatura del modulo al valore più basso possibile - fatto questo che implica l'uso di dispositivi elettronici progettati per rimuovere il calore in eccesso dalle celle. Questo è il motivo per cui diodi e transistor di potenza destinati al mercato fotovoltaico sono ottimizzati in termini di efficienza di trasferimento di calore. Un esempio è rappresentato dalla famiglia SPx di moduli di transistor di potenza sviluppati da Microsemi. Realizzati espressamente per l'industria fotovoltaica, sono i soli moduli a integrare piastre di rame per trasferire il calore lontano dal modulo nel modo più efficace possibile. Analogamente il diodo di bypass per applicazioni fotovoltaiche LX2400 utilizzano la tecnologia CoolRun per ridurre la resistenza che provoca la diminuzione della tensione diretta, minimizzando in tal modo la generazione del calore. I dispositivi di bypass sono importanti per garantire un funzionamento efficiente dei moduli: essi infatti permettono di escludere temporaneamente le celle in ombra che potrebbero avere un impatto negativo sulla produttività complessiva del modulo. I transistor Igbt della serie MOS8 di Microsemi sono stati progettati per minimizzare le perdite di conduzione che giocano un ruolo importante negli stadi di conversione. Il secondo elemento fondamentale che contribuisce a ottimizzare l'efficienza è una topologia di conversione flessibile, in grado di reagire alle variazioni del punto di funzionamento. Questo è il concetto chiave che si cela dietro l'acronimo Mppt (Maximum Power Point Tracking) ovvero tracciamento continuo o inseguimento del punto di massima potenza. Un inverter che utilizza la funzionalità Mppt può individuare la combinazione ideale di corrente e tensione e fornire al carico la resistenza necessaria per consentire un efficiente accumulo di energia. Le architetture di tipo tradizionale solitamente prevedono un singolo engine Mppt in un inverter comune. Un approccio di questo tipo, a fronte di un'estrema semplicità, non è in grado di garantire condizioni ottimali per tutti i pannelli presenti in un array. A secondo delle condizioni di ombreggiamento o dell'accumulo di sporcizia, ogni singolo pannello avrà in ogni momento un punto di massima potenza caratteristico che potrebbe non essere quello previsto sulla base delle condizioni impostate dall'engine Mppt comune. Le architetture che prevedono la presenza di un inverter in ogni modulo permette di ottenere un livello di granularità più fine in termini di Mppt. Un'architettura di questo tipo, anche se comporta un aumento dell'elettronica presente in ogni pannello, garantisce un più rapido payback (il Pay Back Period identifica il numero di anni entro cui l'investitore rientra del capitale investito) soprattutto nel caso di installazioni domestiche e industriali dove l'ombreggiamento prodotto da edifici adiacenti può rappresentare un problema. Grazie a un controllo più accurato della conversione di potenza, diventa più conveniente l'installazione di moduli su superfici che potrebbero essere soggetti a fenomeni di ombreggiamento durante il giorno poiché questi ultimi non influenzano la conversione di potenza dei moduli raramente soggetti all'ombreggiamento, che quindi possono operare in condizioni di elevata efficienza. Il nucleo centrale di un inverter fotovoltaico è un microcontrollore programmabile su cui gira un certo numero di anelli di controllo (control loop) che implementano gli algoritmi di commutazione e le funzioni Mppt. La programmabilità del microcontrollore permette ai produttori di sistemi fotovoltaici di differenziare la loro offerta - modifiche dell'algoritmo Mppt possono comportare un incremento dell'efficienza che, sebbene sulla carta possa sembrare di lieve entità, ha un notevole impatto nel corso della vita operativa del modulo in termini di payback. Un progettista di inverter può scegliere tra una vasta gamma di algoritmi, ciascun dei quali con i propri pregi e difetti. Una possibile tecnica è quella denominata “perturbare e osservare” che prevede il rilevamento della variazione della potenza in uscita quando vengono modificati i valori di tensione e corrente. Questa tecnica è sensibile alle oscillazioni nel caso di rapidi mutamenti delle condizioni di illuminazione o laddove gli intervalli di variazione risultino troppo ampi, in particolare in condizioni di ridotti livelli di irraggiamento. Anche la tecnica della conduttanza incrementale prevede l'apporto di piccole variazioni per fornire i dati all'anello di controllo che calcola la direzione verso la quale dovrebbe essere spostato il punto di massima potenza. Tale metodo fornisce un'indicazione più precisa circa la direzione di spostamento del punto di massima potenza ma, se implementato in software, l'elaborazione potrebbe richiedere tempi lunghi e quindi fornire indicazioni errate in presenza di condizioni variabili rapidamente e di oscillazioni indesiderate.
Una tecnologia ad hoc
I dispositivi Fpga (Field Programmable Gate Array) possono rappresentare un valido ausilio per i microcontrollori in presenza di algoritmi Mppt particolarmente complessi e contribuire a ridurre i tempi di risposta. Un Fpga può essere configurato per agire alla stregua di coprocessore per il microcontrollore principale: in questo modo non solo si prende carico della maggior parte dei calcoli ripetitivi, ma contribuisce ad accelerarne in modo sensibile l'esecuzione, riducendo drasticamente l'intervallo di tempo che intercorre tra i vari aggiornamenti del punto di massima potenza. Gli Fpga della serie Igloo di Microsemi, caratterizzati da consumi estremamente ridotti, forniscono un apporto minimo al riscaldamento del modulo fotovoltaico o dell'inverter. Nei caso dei moduli che integrano i propri inverter per garantire una maggiore granularità in termini di MPPT, i componenti la serie SmartFusion - grazie al loro elevato livello di integrazione - permettono di minimizzare lo spazio occupato dall'elettronica di controllo. Ciascun dispositivo della linea SmartFusion contiene, oltre alla logica programmabile utilizzata per accelerare l'esecuzione degli algoritmi Mppt, un microcontrollore Cortex-M a 32 bit di Arm. Questo core di microcontrollore assicura il livello di prestazioni necessario non solo per far girare i più importanti anelli di controllo, ma anche per gestire le funzioni di diagnostica e comunicazione tipiche degli odierni array fotovoltaici. Le prestazioni possono essere ulteriormente ottimizzate attraverso l'uso dell'engine di elaborazione analogica (Analog Compute Engine). Quest'ultimo abbina un engine di elaborazione dei campioni (Sample sequecing engine) e uno di post-elaborazione (Post processing engine) per esonerare la Cpu Cortex-M3 dalla lettura degli ingressi analogici. L'engine Sse acquisisce i dati dagli ingressi analogici e li trasferisce all'engine Ppe che può eseguire funzioni quali filtraggio passa-basso, per eliminare il rumore, e trasformazione dei dati in un formato adatto per il processore. Il trasferimento di queste funzioni in hardware assicura la possibilità di campionare dati critici nel caso il software sia impegnato nell'espletamento di funzioni di comunicazione o diagnostica, migliorando l'affidabilità della funzionalità Mppt. L'offerta di Microsemi, composta da Fpga e dispositivi di potenza ottimizzati per applicazioni fotovoltaiche, rappresenta la combinazione ideale per aumentare la capacità di accumulo di energia dei sistemi fotovoltaici - e la loro profittabilità complessiva - e sfruttare al meglio le potenzialità, in termini di efficienza, delle moderne celle fotovoltaiche.
