Nozioni di base sull'energia solare: come trasformare la luce in corrente continua e collegarla alla rete elettrica e alle batterie.

Un pannello solare non produce direttamente corrente alternata (CA). Una giunzione pn a semiconduttore scinde l'energia di un fotone in un elettrone e una lacuna; la corrente continua (CC) prodotta dalle celle viene convogliata in serie e in parallelo, e un sistema di inseguimento del punto di massima potenza (MPPT) e un condizionatore di rete la convertono in elettricità utilizzabile. Analizzare tutti i dati, da pochi pannelli sui tetti a un mega-impianto solare, passando per le batterie e il mercato elettrico, come un unico sistema, collega il grafico di produzione al funzionamento della rete elettrica.

Esempio di impianto fotovoltaico su scala industriale

Immagine: Photovoltaic Pannelli presso la centrale solare di Travers (Kkiefuik, CC BY 4.0), Wikimedia Commons. Una fotografia della disposizione, non una misurazione diretta dei valori di potenza o efficienza riportati in questo articolo.

0. La versione in 30 secondi

• La potenza di una cella solare è determinata dal prodotto P=VI della tensione V e della corrente I. Una maggiore irradiazione aumenta principalmente la corrente; una temperatura più elevata riduce la tensione. - La curva I-V presenta un singolo punto di massima potenza (MPP) e il MPPT (Maximum Power Point Tracking) allinea il punto di funzionamento del convertitore DC-DC a tale punto. L'ombreggiamento può creare picchi locali multipli.

• L'inverter converte la corrente continua (CC) in corrente alternata (CA) e controlla il fattore di potenza, la potenza reattiva, le armoniche e il rilevamento anti-islanding. Con una batteria, l'energia in eccesso prodotta a mezzogiorno può essere immagazzinata la sera.

• Gli impianti su tetto, agrovoltaici, galleggianti e offshore presentano diverse problematiche relative a temperatura, riflessione, manutenzione, capacità di rete e impatto ambientale, a seconda della posizione.

• Le perovskiti, le celle tandem, il riciclo e gli inverter per la formazione della rete sono tutti oggetto di ricerca, ma necessitano di una valutazione in termini di durata, incapsulamento, gestione dei cavi, finanziabilità e manutenzione.

1. La giunzione pn trasforma la luce in corrente

Diagram 1 · Use the button to switch views

Figura 1 — Separare le perdite dovute alla conversione della cella, alla temperatura, all'ombreggiamento, al cablaggio, al condizionamento di potenza e alla limitazione prima di confrontare due sistemi fotovoltaici.

Se l'energia E_{ph}=hc/\lambda di un fotone che colpisce una cella solare supera il bandgap del semiconduttore E_g, viene generata una coppia elettrone-lacuna. Il campo elettrico nella regione di svuotamento della giunzione pn separa le due coppie in direzioni opposte, generando corrente attraverso il circuito esterno. Una corrente di cella idealizzata può essere scritta come

dove I_{ph} è la fotocorrente, I_0 la corrente di buio, q la carica elementare, n il fattore di idealità e T la temperatura assoluta. Vicino alla tensione a circuito aperto V_{oc} , la corrente diminuisce bruscamente; vicino alla corrente di cortocircuito I_{sc} , la tensione è quasi zero. Il punto di flesso di questa curva rappresenta il punto di massima potenza (MPP).

Collegando le celle in serie si aumenta la tensione; collegandole in parallelo si aumenta la corrente. I diodi di bypass di un pannello evitano i punti caldi, dove l'ombreggiamento parziale polarizza inversamente un'intera stringa di celle e genera calore. Ombreggiamento, sporco, neve e invecchiamento modificano la curva I-V di ciascuna stringa, quindi il monitoraggio della produzione registra insieme tensione, corrente e temperatura.

2. MPPT: tracciamento del punto di massima potenza

La condizione di massima potenza P(V)=V I(V) è

I metodi MPPT rappresentativi includono Perturb & Observe (hill-climbing), che modifica leggermente la tensione di esercizio e osserva la risposta della potenza, e Incremental Conductance, che controlla per soddisfare dI/dV=-I/V. Quando l'irradiazione cambia improvvisamente, questi metodi possono erroneamente inseguire l'aumento o la diminuzione precedente, motivo per cui la ricerca combina sensori meteorologici, stringhe multiple e controllo predittivo.

3. Il condizionatore di potenza e l'interconnessione alla rete

L'uscita CC del fotovoltaico diventa CA attraverso un convertitore boost, un condensatore di collegamento CC e un inverter a ponte H o trifase. Il controllo grid-following, che segue la fase della rete tramite un PLL e modella la corrente in un'onda sinusoidale, è l'approccio comune. Poiché il fotovoltaico sui tetti continua a immettere energia durante un'interruzione di rete è pericoloso per i lavoratori, sono necessari il rilevamento e la disconnessione anti-islanding.

Nelle reti deboli con un'elevata quota di energie rinnovabili, il controllo grid-forming, in cui l'inverter si comporta come una sorgente di tensione piuttosto che Il semplice monitoraggio della tensione di rete sta attirando l'attenzione. Macchine sincrone virtuali, oscillatori virtuali e controllo droop consentono una risposta rapida alle deviazioni di frequenza e alle fluttuazioni di tensione. Non si tratta di modificare il semiconduttore della cella solare, ma di adattare il controllo e la protezione del convertitore di potenza alla rete nel suo complesso.

4. Irradianza, temperatura e angolo di installazione

Con un'irradianza sul piano G [W/m²], un'area del modulo A e un'efficienza di conversione \eta, la potenza istantanea in uscita può essere approssimata come:

L'efficienza \eta diminuisce con un coefficiente di temperatura. La distanza dal materiale di copertura, la ventilazione posteriore, la struttura di montaggio, l'azimut, l'angolo di inclinazione e la luce riflessa influenzano la produzione annua. I moduli bifacciali sfruttano la riflettanza del terreno (albedo), quindi Anche le condizioni della superficie di installazione — ghiaia bianca, neve, terreno agricolo — devono essere incluse nella progettazione.

Gli impianti agrivoltaici devono evitare di ridurre eccessivamente la quantità di luce che raggiunge le colture, distribuire l'ombreggiamento dei pannelli e mantenere uno spazio libero per l'altezza di lavoro dei macchinari agricoli. Gli impianti galleggianti devono valutare l'effetto di raffreddamento della superficie dell'acqua, l'ancoraggio, le onde, il cablaggio e l'impatto su alghe e qualità dell'acqua. Massimizzare la sola produzione può trascurare i compromessi con la resa delle colture e la manutenibilità.

5. Batterie e previsioni

L'energia solare in eccesso carica una batteria per la scarica serale o in caso di copertura nuvolosa. Lo stato energetico della batteria E può essere aggiornato utilizzando il comando di potenza P_b e l'efficienza di andata e ritorno \eta_{rt} come

dove P_{ch} e P_{dis} sono la potenza di carica e di scarica, e \eta_c,\eta_d le rispettive efficienze. I limiti superiori/inferiori dello stato di carica (SOC), la temperatura, il degrado e la capacità di interconnessione sono tutti considerati vincoli. Prevedere l'ombreggiamento delle nuvole con qualche minuto di anticipo consente di scegliere se mantenere la batteria disponibile o accettare una riduzione della produzione.

6. Tecnologia e ricerca attuali

Un tipico impianto fotovoltaico odierno è costituito da celle di silicio cristallino, una stringa o un microinverter, un gateway di monitoraggio, interruttori automatici, messa a terra/protezione contro i fulmini e, ove applicabile, una batteria. I confronti delle prestazioni dovrebbero andare oltre l'efficienza nominale e considerare l'efficienza a carico parziale, la potenza di standby notturna, l'intervallo di tensione MPPT, il rilevamento dei guasti d'arco, gli aggiornamenti firmware remoti, i pezzi di ricambio e le valutazioni di carico in aria salina/neve.

La ricerca si concentra su celle tandem che sovrappongono una perovskite con diverso bandgap al silicio, pellicole sottili leggere applicabili a superfici curve, incapsulamento a lunga durata, recupero e riciclo del piombo, inverter per la formazione della rete e operazioni che integrano il fotovoltaico con batterie, idrogeno e gestione della domanda. Anche dove L'efficienza di conversione in laboratorio è elevata, l'uniformità dei moduli di grandi dimensioni, i cicli UV/umidità/termici, le garanzie di oltre 25 anni e il recupero a fine vita rimangono ostacoli alla commercializzazione.

7. Monitoraggio, manutenzione e sicurezza

Individuare un calo di produzione significa confrontare i valori attesi normalizzati in base alle condizioni meteorologiche con le misurazioni effettive. Verificare i valori anomali della corrente di stringa, le differenze di temperatura dei pannelli, la resistenza di isolamento dell'inverter, il rilevamento dei guasti d'arco, i fusibili della scatola di giunzione e i connettori dei cavi. L'imaging a infrarossi tramite drone può individuare i punti caldi, ma la riflessione, il vento e l'angolo di misurazione ne influenzano l'accuratezza, pertanto la determinazione delle anomalie deve essere verificata incrociando i dati con le misurazioni elettriche.

Gli archi in corrente continua possono persistere anche dopo l'apertura di un interruttore. Gli operatori devono presumere che la tensione di generazione rimanga presente finché il pannello riceve luce solare e seguire le normative di sicurezza elettrica pertinenti e le procedure del produttore. Quando le batterie sono collocate nello stesso luogo, la gestione dell'incendio (estinzione, isolamento, riaccensione e coordinamento con i vigili del fuoco e le aziende di servizi pubblici) deve essere integrata nel piano.

8. Conclusione

L'energia solare è Un sistema continuo che comprende la fotoconversione delle celle, il MPPT, la conversione DC-DC, l'inverter, il trasformatore, il monitoraggio, l'accumulo e la protezione della rete. Quando si confronta la produzione annuale, è necessario allineare irraggiamento, temperatura, ombreggiamento, sporco, degrado, perdite di conversione e limitazioni alle stesse condizioni. Allo stesso modo, la lettura di informazioni sulle perovskiti o sugli inverter per la formazione della rete dovrebbe valutare la scala dimostrativa, la durata, la manutenzione, il riciclo e la sicurezza lungo l'intero ciclo di vita.

Riferimenti

• Agenzia per le Risorse Naturali e l'Energia - Energie Rinnovabili (giapponese)
• [NREL - Miglior Cella di Ricerca Grafico di efficienza ( https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html )
• IEA PVPS
• IEC 61724-1 — Monitoraggio delle prestazioni dei sistemi fotovoltaici
• NREL — Ricerca sugli inverter per la formazione della rete