I controller di segnali digitali possono offrire significativi vantaggi di efficienza per gli inverter di potenza nelle installazioni di energia “verde”
La necessità di forme alternative di generazione dell’energia è un fatto ormai assodato e, in seguito all’attuale interesse per le fonti rinnovabili, i pannelli solari e le turbine eoliche stanno riscuotendo un’attenzione crescente. Ad esempio, oggi alcune aziende offrono pannelli gratuiti, con contratti di installazione e manutenzione per utenti domestici e commerciali, che forniscono al proprietario della struttura l’energia di cui ha bisogno ed erogano alla rete la quantità prodotta in eccesso.
Purtroppo questo tipo di generazione dell’energia è soggetto a inefficienza. Dal punto di vista della conversione dell’energia, le celle fotovoltaiche (FV) sono scarsamente efficienti, anche nelle condizioni migliori. Per ottimizzarne il potenziale e massimizzare il ritorno sull’investimento è necessario un notevole sforzo di progettazione del sistema.
Ottimizzare l’efficienza di una cella FV
Utilizzando algoritmi complessi, è possibile raggiungere livelli elevati di alimentazione in uscita, anche in condizioni non ideali: l’aspetto cruciale e lo stadio di conversione dell’energia.
Di solito, nelle installazioni di pannelli solari si utilizzano numerose celle FV collegate in serie o in parallelo, unitamente ad alcuni inverter CC/CA, per convertire l’uscita FV in una tensione nominale di rete da impiegare nelle strutture domestiche o commerciali oppure da immettere di nuovo nella rete. Talvolta si ricorre anche a batterie, per accumulare l’energia durante le condizioni meteorologiche ottimali ed erogarla nei periodi di nuvolosità del cielo o persino nelle ore notturne. Queste installazioni comprendono anche diversi convertitori CC/CC.
Ottimizzare l’efficienza dell’uscita FV è determinante. Di solito, ciò è possibile tramite il ciclo di lavoro del segnale di modulazione a larghezza di impulsi (PWM, Pulse Width Modulation) che controlla i convertitori CC/CC e CC/CA. Per ottenere la massima efficienza di conversione, occorre monitorare da vicino l’energia (prodotto delle uscite di tensione e corrente) generata dalla cella FV.
A tale scopo viene utilizzato un microprocessore, oltre a vari convertitori analogico/digitali. Il processore deve essere in grado di calcolare il segnale PWM necessario a garantire le condizioni di conversione ottimali, principalmente mediante una tecnica nota come tracciatura del punto di massima potenza (MPPT, Maximum Power Point Tracking).
A causa della costante variabilità delle condizioni, il processo MPPT è ciclico: occorre eseguirlo ripetutamente per compensare le variazioni in uscita causate dalla temperatura, dalla nuvolosità, dall’ora del giorno e persino dalle stagioni. L’obiettivo è regolare di continuo gli inverter, tramite il controllo PWM, per assicurare la corrispondenza con la tensione e la corrente di picco in uscita dalle celle.
A tal fine, e necessario misurare e convertire la tensione e la corrente in uscita e trasmetterne i valori all’algoritmo MPPT, quindi calcolare il controllo ottimale e comunicarlo sotto forma di segnale di controllo PWM.
I DSP Texas Instruments
Benchè ciò sia possibile utilizzando vari dispositivi discreti, i controller di segnali digitali come i DSP della famiglia TMS320C200 di Texas Instruments presentano la combinazione appropriata di periferiche, potenza di elaborazione e caratteristiche strutturali per svolgere un’operazione tanto complessa in tempo reale in un chip singolo, assicurando in tal modo la massima efficienza per un’installazione FV.
L’algoritmo della massima potenza di picco e la soluzione scelta più di frequente per massimizzare la potenza in uscita, ma e intrinsecamente variabile. Un’altra metodologia talvolta utilizzata e l’algoritmo dell’induttanza incrementale, che risolve la derivata della curva del prodotto tensione/corrente (potenza) per 0 che, per definizione, corrisponde a un picco.
Tuttavia, questo processo e soggetto a errori, dovuti all’impostazione di “falsi” picchi. Una soluzione più elegante consiste nell’adottare una combinazione dei due procedimenti; ciò assicura la massima efficienza, ma richiede anche una potenza di elaborazione superiore.
Il controller di segnali digitali TMS320F28x di TI è l’ideale per questa operazione: si basa su un dispositivo a 32 bit in grado di fornire prestazioni a 150 MIPS e integra una gamma di periferiche che consentono di realizzare un inverter per pannelli solari ad alta efficienza. Grazie al suo utilizzo, e già stato possibile ridurre del 50% l’inefficienza della conversione, in alcune installazioni.
- Redazione
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