Superare le sfide della progettazione della sezione di potenza negli impianti fotovoltaici da 1500 V c.c.

È essenziale migliorare l'efficienza energetica per garantire la sostenibilità finanziaria della produzione di energia fotovoltaica. Il passaggio a stringhe di celle più grandi per aumentare la tensione operativa c.c. può ridurre le perdite di I²R e i costi di implementazione, ma pone una sfida alla progettazione di componenti ausiliari come i circuiti di controllo e monitoraggio della potenza.

Il settore solare è in continua crescita

Sebbene i sussidi governativi per la generazione di energia fotovoltaica tendano ad avere un andamento instabile, la capacità installata continua ad aumentare. Da una base di 178 GW nel 2014, si prevede che la capacità globale raggiungerà i 540 GW nel 2019. L'Europa vanta la quota maggiore, prevista a 158 GW nel 2019, anche se la crescita è più rapida in altri paesi come la Cina e gli Stati Uniti dove, nello stesso periodo, la capacità installata dovrebbe aumentare rispettivamente di quattro e tre volte. Un'industria solare di successo riveste un notevole valore anche dal punto di vista economico. Questo settore infatti nel 2014 impiegava direttamente circa 55 milioni di persone.

Se la generazione di energia fotovoltaica deve essere all'altezza di queste previsioni e crescere ulteriormente, il costo per watt deve continuare a scendere. Una barriera alla discesa del costo è costituita dall'efficienza generalmente bassa dei pannelli stessi. Allo stato attuale, le celle monocristalline più performanti offrono un'efficienza del 25% circa e tale valore si avvicina già al massimo teorico per questa tecnologia.

Aumentare la tensione di funzionamento per risparmiare energia

Chiaramente ogni joule raccolto dai raggi del sole è prezioso. Una "sobria" gestione dell'energia è essenziale per minimizzare le perdite in ogni parte dell'impianto, dall'uscita c.c. dei moduli solari all'iniezione in c.a. nella rete (Figura 1). Il collegamento di più moduli in serie per produrre un'uscita ad alta tensione in corrente continua aiuta a ridurre la corrente e quindi ad abbassare le perdite di I²R tra le matrici fotovoltaiche e l'inverter. È abbastanza comune per i sistemi collegati alla rete operare a 1000 V_c.c.. Un impianto tipico comprende 22 moduli collegati in serie per creare una stringa, con ogni modulo contenente 90 celle per produrre una tensione di uscita di circa 45 V. Una stringa di questo genere potrebbe generare una potenza di picco di 5,5 kW, consentendo ad esempio un parco solare da 15 MW configurato con la combinazione di 2727 stringhe.

Figura 1: Funzioni principali di un impianto fotovoltaico da più MW collegato alla rete. (Immagine per gentile concessione di CUI, Inc.)

Aumentando il numero di moduli per stringa per incrementare la tensione di uscita a 1500 V_c.c., la corrente massima immessa in ciascun combinatore potrebbe essere ulteriormente ridotta al 66,6% del valore a 1000 V_c.c.. Le perdite resistive del cavo sarebbero ancora più basse, con appena il 44,4% del valore precedente. Questa soluzione offre ai progettisti una maggiore flessibilità per aumentare l'efficienza energetica e contenere i costi di installazione, grazie alla possibile riduzione delle dimensioni dei cavi e all'utilizzo di connettori più piccoli. Inoltre, sono necessarie meno stringhe per ottenere una determinata potenza di uscita, riducendo quindi il numero di scatole di combinazione richieste. Supponendo che ogni scatola gestisca 20 stringhe, un impianto da 15 MW richiederebbe solo 94 scatole rispetto a 137 a 1000 V_c.c., una riduzione del 31%. Una ricerca di GTM ha calcolato che la progettazione di un impianto da 10 MW a 1500 V_c.c. riduce i costi di installazione di circa 400 mila dollari rispetto a un sistema a 1000 V_c.c. (Figura 2).

Figura 2: Potenziale risparmio di installazione di un impianto da 10 MW passando da 1000 V a 1500 V (Immagine per gentile concessione di CUI, Inc.)

Sfide dei progetti a 1500 V

Questi potenziali risparmi sui costi e i conseguenti guadagni di efficienza sono certamente interessanti, ma occorre potenziare l'isolamento in tutto il sistema e le scatole di combinazioni, oltre all'inverter, devono essere in grado di funzionare anche a tale tensione più elevata. Fortunatamente, gli inverter adatti sono già sul mercato e alcuni di questi prodotti sono basati sui più recenti semiconduttori ad ampio intervallo di banda, che offrono una maggiore efficienza rispetto a quelli a base di silicio.

Tuttavia, un altro aspetto importante nella progettazione di sistemi a 1500 V_c.c. è il fatto che combinatori e inverter fotovoltaici idonei devono prelevare la propria sorgente a bassa tensione dalla linea a 1500 V_c.c. per utilizzarla nei circuiti di monitoraggio e controllo della potenza. Non sono molto diffusi piccoli convertitori c.c./c.c. con un intervallo di tensione di ingresso sufficientemente ampio da funzionare a 1500 V_c.c. e allo stesso tempo in grado di gestire cali della tensione di uscita della stringa fino a 200 V_c.c.. Ciò richiede un intervallo di ingresso di almeno 7,5:1, che non è una specifica comune.

La Figura 3 illustra l'architettura di potenza di un'unità combinatrice solare contenente un convertitore c.c./c.c. ad ampio ingresso con un'uscita a 24 V_c.c. che viene utilizzata per alimentare i moduli di comunicazione ed elaborazione/rilevamento tramite convertitori aggiuntivi isolati e non isolati. L'isolamento di sicurezza totalmente rinforzato è obbligatorio per il convertitore c.c./c.c. principale ad alta tensione, in genere con specifica dell'ordine di 4000 V_c.a..

Figura 3: Architettura di potenza interna della scatola del combinatore solare. (Immagine per gentile concessione di CUI, Inc.)

Considerazioni sulla sicurezza

Per quanto riguarda la sicurezza, la norma applicabile è IEC 62109-1 "Sicurezza degli apparati di conversione di potenza utilizzati in impianti fotovoltaici di potenza", pertinente per sistemi fino a 1500 V_c.c.. La parte 1 della norma specifica le prescrizioni generali e la parte 2 definisce i requisiti specifici per gli inverter. L'ambito della norma IEC 62109-1 comprende metodi di progettazione e costruzione atti a garantire la protezione da scosse elettriche, pericoli meccanici, alte temperature, incendi, rischi chimici e altri potenziali pericoli.

Include anche un riferimento a IEC 60664 "Coordinamento dell'isolamento per apparecchiature nei sistemi a bassa tensione". Di particolare rilevanza per i convertitori c.c./c.c. è l'obbligo di test per verificare l'assenza di scariche parziali che possono verificarsi in presenza della rottura dei microvuoti dell'isolamento che portano al degrado e infine al guasto completo. Il test è molto importante per le tensioni di esercizio di 1500 V_c.c. e richiede una realizzazione speciale della barriera di isolamento del convertitore c.c./c.c.

I requisiti di isolamento di IEC 62109-1 dipendono dalla tensione del sistema, dalla categoria di sovratensione di installazione (OV) e dal grado di inquinamento (PD) dell'ambiente. La categoria OV II viene utilizzata per i circuiti del pannello FV in sistemi con bus a 1500 V_c.c., con tenuta minima all'impulso di 6000 V. Per lo stadio inverter collegato alla rete, si applica la categoria OV III e il requisito di tenuta all'impulso è 8000 V.

Essendo un'applicazione industriale con una certa protezione ambientale, l'apparecchiatura è soggetta a PD 2. Tale classificazione consente solo l'inquinamento non conduttivo con condensazione occasionale. IEC 62109-1 contiene molte ulteriori specifiche che devono essere prese in considerazione.

Negli Stati Uniti si applica lo standard UL 1741. Riguarda l'applicazione più generale delle "risorse energetiche distribuite" e include i requisiti per "convertitori e controller".

Nuova topologia di alimentazione dei componenti ausiliari

Questi standard impongono requisiti prestazionali specifici per i convertitori c.c./c.c. ausiliari che lavorano in questo ambiente. L'intervallo di ingresso molto ampio e l'elevata tensione massima di ingresso sono fattori estremamente impegnativi per le topologie dei convertitori standard flyback o diretti. È necessaria una topologia più complessa per limitare sollecitazioni eccessive dei componenti in caso di tensioni e correnti di picco interne estremamente elevate che possono verificarsi quando viene modificata la larghezza dell'impulso per regolare l'uscita.

La protezione è anche estremamente importante per garantire che i convertitori possano continuare a funzionare nonostante frequenti interruzioni temporanee derivanti da cali sull'ingresso al di sotto del valore minimo quando il livello di irradiamento luminoso è basso o se i pannelli vanno in ombra. Queste, e altre condizioni di guasto che possono verificarsi in un'installazione remota come sovraccarichi, cortocircuiti o sovratensioni, non devono danneggiare il convertitore. I convertitori devono anche essere in grado di resistere a temperature operative elevate, in quanto gli impianti FV sono normalmente posizionati in pieno sole per massimizzare il potenziale di raccolta di energia. È anche importante rispettare i valori nominali di isolamento specificati dall'ente.

Considerando gli effetti combinati di tutte queste problematiche, la progettazione di un convertitore c.c./c.c. da 1500 V_c.c. ad ampio intervallo di ingresso per applicazioni fotovoltaiche non è un compito banale.

CUI ha recentemente lanciato la serie AE di convertitori c.c./c.c. per applicazioni fotovoltaiche, operanti a 1500 V_c.c. (Figura 4). Sono progettati per gestire un intervallo di ingresso da 200 a 1500 V_c.c. necessario nelle alimentazioni ausiliarie e sono disponibili con potenze di 5, 10, 15 o 40 W. Le opzioni di tensione in uscita sono 5, 9, 12, 15 o 24 V_c.c.. I convertitori sono conformi a EN 62109-1, la versione europea della IEC 62109-1, con isolamento a 4000 V_c.a. e servizio nominale fino a 5000 metri di altitudine. Alcuni modelli soddisfano anche UL 1741. È disponibile una vasta gamma di formati per montaggio su scheda incapsulata, montaggio su telaio o guida DIN. Inoltre questi convertitori possono funzionare fino a 70 °C senza declassamento.

Figura 4: I convertitori c.c./c.c. serie AE di CUI funzionano con tensione di ingresso da 200 a 1500 V_c.c.. (Immagine per gentile concessione di CUI, Inc.)

Potenza ausiliaria drop-in per impianti FV a 1500 V_c.c.

Massimizzare l'efficienza di conversione dell'energia è l'obiettivo più importante nella progettazione di impianti di generazione fotovoltaici, fino a potenze di GW. Aumentare la tensione di uscita del generatore solare a 1500 V_c.c. va incontro a questo obiettivo, sebbene siano necessari un controllo e un monitoraggio completi per ottenere le migliori prestazioni. Le alimentazioni ausiliarie per queste funzioni devono essere conformi agli standard di affidabilità e sicurezza e allo stesso tempo essere in grado di funzionare da una tensione di ingresso che può variare ampiamente da un minimo di 200 V_c.c. fino a 1500 V_c.c.. L'ultima generazione di convertitori c.c./c.c. di CUI concepiti per soddisfare questi requisiti presenta una soluzione "drop-in" per i progettisti e gli integratori di sistemi fotovoltaici. Per ulteriori informazioni sulla serie AE di CUI, visitare la pagina dei prodotti in evidenza di Digi-Key Convertitori c.c./c.c. per applicazioni di energia rinnovabile.