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UNIVERSITA' E INNOVAZIONE TECNOLOGICA
SISTEMI FOTOVOLTAICI E OTTIMIZZAZIONE
AZIENDE
AL PASSO CON I TEMPI
DALL’IDEA ALLA CERTIFICAZIONE EUROPEA
UNIVERSITA' E INNOVAZIONE TECNOLOGICA
SISTEMI FOTOVOLTAICI E OTTIMIZZAZIONE
Lo sviluppo di soluzioni tecnologiche
per le fonti di energia rinnovabili
 di
Nicola Femia
Professore Ordinario di Elettrotecnica D.I.I.I.E.
- Università degli Studi di Salerno
femia@unisa.it
I sistemi fotovoltaici costituiscono una realtà consolidata
per la realizzazione di sistemi di produzione di energia elettrica
distribuiti. Tuttavia, la loro incidenza nella produzione globale di energia
risulta oggi piuttosto ridotta (qualche unità percentuale). I principali
fattori di limitazione sono legati ai costi elevati e all'estensione della
superficie necessaria per la realizzazione degli impianti, entrambi dovuti
alla bassa efficienza di conversione dell'energia solare in energia elettrica
che caratterizza le celle fotovoltaiche di maggiore diffusione (inferiore
al 15%).
Queste limitazioni possono essere superate da nuove tipologie di celle,
caratterizzate da rendimenti sensibilmente più alti, o da nuove tecnologie
in fase di sperimentazione, ma i tempi e i costi di applicazione di tali
soluzioni sono al momento piuttosto incerti. In alcuni paesi la diffusione
dell'utilizzo di questa fonte di energia rinnovabile è stata favorita
con successo, e concretamente, da programmi governativi di finanziamento,
la cui attuazione è stata anche facilitata dalla sensibilità della
popolazione verso le problematiche dell'inquinamento ambientale e del risparmio
energetico.
La problematica dei sistemi fotovoltaici s'inquadra oltretutto in un
contesto in cui le linee di ricerca e le azioni strategiche per la risoluzione
dei problemi di approvvigionamento energetico sono concentrate sull'evoluzione
dei processi e dei sistemi per la realizzazione di grandi centrali per la
produzione dell'energia elettrica, mentre scarsa attenzione viene rivolta
ai piccoli sistemi di produzione distribuiti, di potenza compresa fra 2kW
e 20kW, che utilizzano sorgenti fotovoltaiche ed altre fonti di energia rinnovabili.
In questo scenario s'inserisce l'attività di ricerca applicata che
il Gruppo di Ricerca di Elettrotecnica del Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione
ed Ingegneria Elettrica (DIIIE) dell'Università di Salerno svolge,
da alcuni anni, in collaborazione con la MagneTek S.p.A. di Terranuova Bracciolini
(AR), azienda leader nel settore della conversione dell'energia controllata
dal Gruppo MagneTek Inc. americano, che occupa circa 650 dipendenti presso
la sede di Terranuova Bracciolini e circa 550 dipendenti presso i siti di
produzione localizzati in Ungheria e in Cina. La MagneTek sviluppa e produce
alimentatori e i sistemi di conversione per applicazioni in vari settori,
fra cui ICT, apparecchiature biomedicali, fonti alternative di energia, home
appliances, strumentazione elettronica, automazione industriale.
La collaborazione fra DIIIE e MagneTek si è concretizzata in un'attività di
ricerca orientata all'ottimizzazione dei convertitori e dei sistemi fotovoltaici
e, più in generale, allo sviluppo di nuove tecnologie per lo sfruttamento
delle fonti di energia rinnovabili.
Con riferimento ai sistemi fotovoltaici, le applicazioni studiate riguardano
i sistemi domestici connessi alla rete, con caratteristiche modulari che
consentono la realizzazione di sistemi di varie taglie di potenza.
Sotto il profilo tecnologico, la ricerca è stata mirata allo sviluppo
di un convertitore modulare caratterizzato sia da massima efficienza di conversione
che da massima efficienza di estrazione di energia dal campo fotovoltaico,
e, sotto il profilo tecnico, allo sviluppo di metodi di progetto e di calcolo
destinati agli operatori del settore per la realizzazione di sistemi fotovoltaici
capaci di produrre la massima energia con la minima spesa di installazione.
In proposito occorre osservare che i sistemi fotovoltaici di piccola
potenza sono spesso realizzati sulla base di criteri di dimensionamento semplificativi,
che, considerate le intrinseche limitazioni di efficienza dei pannelli fotovoltaici
già menzionate, possono determinare costi di impianto eccessivi e,
paradossalmente, una riduzione dell'energia prodotta rispetto alle potenzialità.
Il risultato di produrre la massima energia con la minima spesa richiede
invece l'applicazione di adeguati criteri e strumenti di ottimizzazione.
Il particolare sistema studiato nell'ambito della collaborazione fra DIIIE
e MagneTek utilizza un convertitore a doppio stadio, il primo dei quali svolge
un ruolo cruciale, in quanto deve assicurare che il campo fotovoltaico operi
sempre in condizioni di massima potenza, al fine di garantire la massima
convenienza economica del sistema (pareggio energetico con la minima estensione
del campo fotovoltaico).
Le attività svolte nell'ambito della collaborazione di ricerca sono
state quindi orientate in primo luogo allo studio dei principali fattori
che influenzano l'efficienza dei convertitori statici nell'estrazione dell'energia
dai pannelli solari. Particolare attenzione è stata rivolta alle tecniche
di controllo per l'inseguimento del punto di massima potenza dei pannelli
(MPPT), che subisce notevoli variazioni con la temperatura ed il livello
di soleggiamento e dipende anche da altri fattori fisici, geometrici e ambientali.
Attraverso uno studio integrato della dinamica dei sistemi fotovoltaici,
legata alle caratteristiche dei convertitori, dei pannelli fotovoltaici e
dei sistemi di controllo, è stato messo a punto un metodo di controllo
ottimo che consente di massimizzare la potenza estraibile dai pannelli in
un'ampia varietà di condizioni di funzionamento (potenza, condizioni
ambientali, condizioni di carico).
L'ottimizzazione del convertitore è stata realizzata considerando,
a parità di potenza nominale dei pannelli, l'energia giornaliera producibile,
che è fortemente condizionata da:
- collocazione geografica e caratteristiche climatiche del luogo di
installazione del sistema fotovoltaico;
- caratteristiche geometriche del sito e della superficie di installazione
dei pannelli;
- caratteristiche elettriche e termiche dei pannelli costituenti il
campo fotovoltaico;
- specifiche di potenza e di energia e obiettivi dell'utenza; tolleranze
e incertezze.
Lo studio effettuato ha fornito indicazioni progettuali relative ai
valori ottimali dei parametri del controllore MPPT del convertitore validi
per ciascuna soluzione ottima del sistema fotovoltaico, che si caratterizza
in termini di: numero, estensione, angolazione e distanza ottimali delle
sezioni del campo fotovoltaico, numero minimo e configurazione serie/parallelo
ottimale dei pannelli costituenti ciascuna sezione del campo fotovoltaico,
energia massima producibile.
I criteri di progetto sviluppati consentono anche una valutazione realistica
del cambiamento di prestazioni in termini energetici e di estensione del
campo fotovoltaico dovuti alle tolleranze ed alla adozione di scelte progettuali
differenti da quelle corrispondenti alla soluzione ottimale.
I risultati conseguiti sono stati utilizzati per la realizzazione di
un nuovo convertitore modulare di potenza 2kW¸4kW per applicazioni
fotovoltaiche domestiche e commerciali le cui caratteristiche dinamiche consentono
di minimizzare l'energia persa a causa del mancato inseguimento del punto
di massima potenza, e quindi di ridurre l'estensione del campo fotovoltaico
necessario per il pareggio energetico fra l'utenza e la rete.
I contenuti tecnico-scientifici innovativi della collaborazione di
ricerca DIIIE-MagneTek sono stati introdotti nella didattica del Corso di
Laurea in Ingegneria Elettronica dell'Università di Salerno.
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