A causa del vertiginoso sviluppo delle tecnologie in grado di sfruttare le energie alternative disponibili, nell'ultimo ventennio è sorto inesorabile un nuovo interrogativo: come ottimizzare la potenza elettrica generata per disporre al meglio dell'energia ricavabile da queste “nuove” fonti? La risposta sta in una soluzione innovativa e geniale: la creazione delle smart grid. Si tratta di reti elettriche intelligenti (smart), in grado di modificare autonomamente le proprie impostazioni di lavoro in base all’ambiente o alla domanda di energia elettrica richiesta. I vantaggi non sono soltanto un minor impatto nei confronti della fonte, infatti anche sul versante economico si configura un netto miglioramento. I costi di tali impianti si riducono, in pratica, al solo prezzo dei dispositivi elettronici utilizzati, che con il progressivo scaling sono in continuo abbassamento. In questo articolo cercheremo di illustrare alcuni metodi implementati per sfruttare al meglio i punti di lavoro più efficienti in ambito fotovoltaico e scopriremo qual è il ruolo dei sensori nel funzionamento di queste reti.

Celle fotovoltaiche e MPP

Prima di continuare il discorso già iniziato sulle smart grid non può mancare una definizione più accurata per il modello di pannello fotovoltaico a cui faremo riferimento nel corso dell'articolo. In generale possiamo approssimarlo ad una matrice di diodi, la cui curva caratteristica è mostrata in figura 1. La curva è la classica caratteristica esponenziale con gli opportuni valori cambiati, infatti abbiamo la serie ed i paralleli delle singole celle la cui caratteristica è approssimabile come quella di un diodo.

Figura 1: Una cella solare viene schematizzata con una matrice di diodi che ha ancora la caratteristica esponenziale dei diodi

La potenza emessa dalla cella solare è il prodotto P=I∙V, rappresentata nel grafico con l’area sottesa dal rettangolo giallo. Questa potenza non è costante, in particolare l’area cambia da punto a punto ed ha il massimo in un unico punto detto MPP (Maximum Power Point): è quindi importante al fine di massimizzare l'efficienza energetica, permettere alla cella di lavorare esattamente in questo punto. In figura 2 è rappresentata la curva della potenza in relazione alla tensione ai capi dell nostro pannello fotovoltaico, l’MPP è rappresentato dal massimo di questa curva.

Figura 2: La potenza emessa dal pannello varia a seconda del punto di lavoro, il massimo è l'MPP

Se la curva rimanesse fissata durante tutto il tempo di lavoro, risulterebbe semplice trovare l’MPP. Purtroppo però la fotocorrente generata dipende linearmente dall’illuminazione. Inoltre all’aumentare della temperatura la curva subisce uno spostamento verso sinistra a causa della dipendenza esponenziale della corrente di buio da questa. Il valore della corrente di buio dipende implicitamente anche dal numero di portatori disponibili alla conduzione, i quali a loro volta dipendono dalla temperatura. In figura 3 possiamo vedere le variazioni della curva dovute a modifiche dell’ambiente di lavoro.

Figura 3: La caratteristica del nostro pannello fotovoltaico dipende da molti fattori ambientali

Raggiungere il giusto punto di lavoro è senza dubbio un procedimento fondamentale. Sfortunatamente senza l'aiuto di un corretto algoritmo e di sensori per monitorare i valori della potenza generata, la procedura risulterebbe troppo complessa. L'MPP è a sua volta indispensabile se consideriamo tutte le varianti possibili: dall’illuminazione che cambia di ora in ora, al semplice passaggio di una nuvola, al variare della temperatura. Si potrebbe pensare di sopperire al problema attraverso i sistemi di feedback analogici: ma come vedremo, non è una soluzione accettabile. Al contrario un sistema del genere risulterebbe d'intralcio. La ragione risiede nel fatto che la curva della potenza, come mostrato [...]

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