Soluzioni per le applicazioni off-grid ad energia solare 2/2

Applicazioni offgrid

Nelle analisi appena descritte, abbiamo visto come, calibrando le dimensioni dei pannelli solari e del dispositivo per l’immagazzinamento di energia, sia possibile identificare la potenza e l’energia utilizzate. Per calcolare la quantità di energia che deve essere generata, c’è bisogno di fare alcune considerazioni circa l’elettronica di potenza.

Tipi di elettronica di potenza

Per avere un quadro dettagliato di come i fattori interni influenzino il dimensionamento dei componenti, si può far riferimento alla figura, che offre un’immagine ben descritta dell’implementazione del sistema.

In questo scenario si presentano anche diverse situazioni, ognuna delle quali influenza la strategia dell’elettronica di potenza. Una strategia di potenza basata su un microcontrollore offre una flessibilità significativa. Essa permette ad un progetto di riferimento standard di essere utilizzato con una vasta gamma di applicazioni, mentre allo stesso tempo autorizza la consegna dei requisiti specifici per un’applicazione e l’implementazione di funzioni avanzate. Questa strategia non solo supporta la conversione di energia, ma offre anche flessibilità nelle selezione dei componenti principali, permette le modifiche e l’ottimizzazione con una vasta gamma di condizioni operative. Funzioni ulteriori e più avanzate, come la comunicazione e la diagnostica, possono essere facilmente implementate.

Questo non sarebbe possibile con un convertitore di energia standalone dedicato. In questa implementazione, le domande più importanti vengono sollevate dal carico; è importante infatti chiedersi quale sia la natura del carico, e come dovrebbe essere il controllo del carico. Inoltre, bisogna sapere se esso necessita di una corrente o di una tensione, e di conseguenza quanto preciso deve essere il set point di corrente o di tensione.

Il controllo di carico potrebbe essere sia semplice come un relé che complesso come un invertitore a tre fasi. In ogni caso, richiede una funzione di caricamento (ad esempio l’elettronica di potenza), che utilizzi l’energia solare per caricare il dispositivo di immagazzinamento dell’energia. E, se il sistema lo permette,può anche offrire una capacità MPPT (maximum peak power tracking). Forse, una delle decisioni da prendere in primo luogo riguarda la scelta nell’utilizzo di un’architettura common rail o a generazione distribuita.

La figura mostra le differenze, sebbene è il comportamento del carico a indirizzare la selezione. L’architettura common rail illustrata nell’immagine 5a, potrebbe essere la scelta migliore se il carico richiede una tensione costante. In questo caso, il controller del carico diventa un semplice relé o un interruttore a stato solido. Il convertitore solare DC/DC mantiene il common rail sul set-point di il caricatore della batteria si alimenta dal bus per caricare il dispositivo di immagazzinamento dell’energia. I vantaggi e gli svantaggi di un simile approccio sono i passaggi per la conversione di energia. Tenendo in considerazione una efficienza di conversione media dell’85%, significa che il 15% restante va perso nella conversione.

Se il convertitore solare DC/DC è in grado di supportare il carico, allora ci sarà un singolo passaggio per la conversione. Tuttavia, per caricare la batteria sono necessari due passaggi (da solare DC/DC a common rail e da common rail a DC/DC bidirezionale), più una conversione aggiuntiva (DC/DC bidirezionale a common rail) per supportare il carico.

Una architettura Common rail può essere utilizzata anche se il carico viene impiegato solo quando il solare DC/DC non è in funzione (ad esempio di notte). In quel caso, è possibile eliminare il solare DC/DC e si utilizza il bidirezionale DC/DC sul dispositivo di immagazzinamento dell’energia per caricare la batteria dalla pannelli solari. Può essere utilizzata anche un’energia alternativa per fornire il carico. Quest’ultima situazione, però, prevede che l’energia passi solo attraverso due step di conversione (da solare DC/DC a bidirezionale DC/DC e da bidirezionale DC/DC al carico).

L’architettura a generazione distribuita, in figura, è più flessibile e può supportare requisiti di carico variabili. In questo caso, il solare DC/DC si utilizza per la ricarica e il convertitore DC/DC supporta i requisiti di carico. Lo svantaggio di questo approccio consiste nella presenza costante di due conversioni di energia. Tuttavia, se i pannelli solari e il carico possono operare simultaneamente, questa soluzione risulta essere la migliore.

Un esempio rapido

Prendiamo ora in considerazione un semplice esempio di un’architettura a basso consumo. Prendiamo in considerazione un lampeggiante per la segnalazione di pericoli stradali o nei cantieri, che si trova spesso posto su barriere in cemento. I lampeggianti sono operativi solo di notte e la ricarica avviene negli altri momenti della giornata. Questo comportamento permette di utilizzare un’architettura common-bus e, visto che sono operative o in fase di ricarica (mai le due cose contemporaneamente), è possibile eseguire un’ulteriore semplificazione della tipologia, combinando insieme il solare DC/DC, il bidirezionale DC/DC e il controllo del carico in un singolo convertitore bidirezionale. Il progetto del circuito proposto è rappresentato nella figura sopra. In questo circuito vengono utilizzati un microchip PIC16F690 e due controller MCP1630 Analog PWM per guidare un convertitore Flyback bidirezionale. Durante il giorno, questa soluzione utilizza l’energia solare come input e carica la batteria; di notte, visto che viene rilevata poca o nulla energia sui pannelli solari, il convertitore inizia a fornire energia, secondo lo schema delle luci lampeggianti, ai led. Nella tavola sotto sono illustrati le ipotesi e i calcoli.

Conclusione

Le applicazioni distribuite continueranno a trarre vantaggio dal progressivo abbassamento dei costi delle installazioni solari. Un’architettura di conversione dell’energia, basata su un microcontrollore, permette una grande flessibilità, sia nella sua capacità di supportare una diversa gamma di applicazioni finali, che in quella di favorire continui sviluppi della tecnologia solare. Questa flessibilità sta anche a significare che i progetti realizzati oggi, saranno importanti anche in futuro.

Articolo tratto da Technology First by Farnell

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