Semplificare le soluzioni di alimentazione fotovoltaica non dipendenti dalla rete con caricabatterie/inverter integrati

Le soluzioni di alimentazione non dipendenti dalla rete supportate da pannelli fotovoltaici (PV) che utilizzano l'inseguimento del punto di massima potenza (MPPT) si stanno diffondendo sempre più via via che gli utenti adottano fonti di energia alternative. Tuttavia, questi sistemi sono complessi da installare e configurare. La combinazione di opzioni richiede più inverter e caricabatterie, con conseguente aumento dei costi.

I progettisti possono ora semplificare e ridurre il costo dell'alimentazione non dipendente dalla rete e della ricarica delle batterie utilizzando un'unica unità integrata di ricarica c.a./c.c., inversione c.c./c.a. e bypass c.a.

Questo articolo passa brevemente in rassegna le applicazioni di alimentazione non dipendenti dalla rete e le complessità della carica dei pannelli fotovoltaici/MPPT. Presenta quindi le unità integrate di MEAN WELL per mostrare come possono semplificare l'installazione e il funzionamento, riducendo al contempo i costi. Un'applicazione domestica dimostra i vantaggi dell'utilizzo di un prodotto integrato.

Che cos'è un'applicazione di alimentazione non dipendente dalla rete?

L'alimentazione non dipendente dalla rete si sta diffondendo, perché la tecnologia è maturata al punto da rendere questi sistemi affidabili, efficienti e convenienti, consentendo agli utenti di ottenere l'indipendenza dalle utenze pubbliche.

Come suggerisce il nome, l'alimentazione non dipendente dalla rete deriva da fonti energetiche non di pubblica utilità, in genere pannelli fotovoltaici che convertono la luce solare in elettricità. Anche l'energia eolica è un'opzione.

Per la completa autonomia della rete, i sistemi non dipendenti dalla rete richiedono diversi componenti chiave:

• Pannelli fotovoltaici: per convertire la luce solare in corrente continua
• Caricatore MPPT solare esterno: per ottimizzare il flusso di energia alle batterie e massimizzare l'immagazzinaggio dell'energia
• Batterie: per immagazzinare l'energia generata dai pannelli fotovoltaici
• Inverter c.c./c.a.: per convertire l'energia della batteria in c.a. necessaria per gli apparecchi domestici

Sebbene molti utenti aspirino alla completa autonomia energetica, sono consapevoli che i pannelli fotovoltaici potrebbero non generare costantemente energia sufficiente per tutti i loro impianti domestici e per precauzione si collegheranno comunque al fornitore di energia elettrica. L'ingresso c.a. dalla rete viene convertito in c.c. per aumentare l'energia della batteria (Figura 1).

Figura 1: Un sistema di alimentazione non dipendente dalla rete alimentato da pannelli fotovoltaici con alimentazione di riserva c.a. (Immagine per gentile concessione di MEAN WELL)

Un sistema autonomo non dipendente dalla rete è pratico, ma non semplice da realizzare. L'installazione e la manutenzione richiedono attenzione e l'aggiunta di un ritorno di energia per caricare le batterie ne aumenta la complessità. Supponendo che i pannelli fotovoltaici siano montati nella posizione ottimale e con l'angolazione migliore e che le batterie abbiano una capacità sufficiente per immagazzinare l'energia necessaria ad alimentare l'abitazione durante le ore di scarsa o assente luce solare, il caricatore MPPT solare esterno, la carica c.a./c.c., l'inversione c.c./c.a. e il bypass c.a. sono gli elementi chiave che determinano l'efficacia del sistema.

Uno dei compiti dell'inverter è quello di convertire l'elettricità c.c. derivata da un sistema composto da pannelli fotovoltaici e batterie in una uscita a 230 V/60 Hz. Un prodotto come l'inverter ISI-501-212B di MEAN WELL accetta un ingresso a 12 V_c.c. e offre un'uscita a onda sinusoidale vera di 450 W con una distorsione armonica totale (THD) <3% e una regolazione c.a. di ±3%.

Nella configurazione illustrata nella Figura 1, l'inverter funziona come un caricatore fotovoltaico MPPT, con le caratteristiche di carica a corrente e tensione costanti richieste dalle batterie al piombo-acido. L'unità di MEAN WELL fornisce una corrente di carica fino a 30 A con un intervallo di tensione MPPT da 25 V a 50 V per rifornire le batterie al piombo-acido aperte o sigillate.

Che cos'è MPPT?

L'MPPT viene utilizzato con fonti di alimentazione variabili come i pannelli fotovoltaici per massimizzare l'estrazione di energia al variare delle condizioni. L'MPPT affronta le sfide derivanti dall'efficienza del trasferimento di potenza dalla cella fotovoltaica che varia in base al flusso solare, all'ombreggiamento, alla temperatura del pannello fotovoltaico e alle caratteristiche elettriche del carico. Al variare di queste condizioni, cambia anche la caratteristica del carico (impedenza) che offre il massimo trasferimento di potenza. Il sistema è ottimizzato quando la caratteristica del carico mantiene il trasferimento di potenza alla massima efficienza, che è il punto di massima potenza (MPP). L'MPPT è il processo di regolazione della caratteristica del carico al variare delle condizioni per raggiungere l'MPP.

La maggior parte dei moderni MPPT fornisce un'efficienza di conversione compresa tra il 93% e il 97%. ISI-501-212B di MEAN WELL offre un'efficienza di conversione tipica del 98%.

L'uscita del caricatore MPPT ISI-501-212B viene utilizzata per caricare le batterie del sistema di alimentazione non dipendente dalla rete utilizzando le uscite dei pannelli fotovoltaici. A tal fine si utilizza un profilo di carica a corrente/tensione costanti definito che utilizza l'MPPT per garantire la massima capacità della batteria e massimizzare il numero di cicli di carica della batteria (Figura 2). Lo stadio flottante mantiene la batteria a un livello di carica quasi completo per evitare l'autoscarica.

Figura 2: Un profilo di carica a corrente/tensione costanti che utilizza l'MPPT per ottimizzare la capacità della batteria e massimizzare il numero di cicli di carica della stessa. (Immagine per gentile concessione di MEAN WELL)

L'importanza delle tensioni c.a. a onda sinusoidale pura

Il caricatore MPPT ISI-501-212B è fondamentale, ma è solo una parte di un sistema di alimentazione non dipendente dalla rete. Ad esempio, l'inversione c.c./c.a. è necessaria per convertire l'energia delle batterie al piombo-acido o agli ioni di litio nella tensione c.a. richiesta dagli apparecchi domestici. Questi apparecchi devono essere alimentati con tensioni c.a. a onda sinusoidale pura per evitare problemi elettrici come la correzione del fattore di potenza.

A tal fine, l'inverter c.c./c.a. utilizza un circuito a ponte H e un circuito di controllo come la modulazione della larghezza di impulso (PWM). La combinazione di ponte H e PWM crea una tensione media che si avvicina a un'onda sinusoidale. Il PWM è tipicamente controllato da una o più unità microcontroller (MCU) e comporta la variazione della larghezza degli impulsi per creare una tensione media che forma un'onda sinusoidale approssimativa. Per un'ulteriore riduzione della distorsione armonica si può ricorrere al filtraggio induttore-condensatore (LC), che rende più omogenea la forma d'onda e produce un'onda sinusoidale più pulita.

Ad esempio, l'inverter continuo NTN-5K-148 di MEAN WELL utilizza gli MCU per generare una vera onda sinusoidale con un THD <3% (Figura 3).

Figura 3: L'inverter continuo NTN-5K-148 utilizza gli MCU per generare una vera onda sinusoidale in uscita con un THD <3%. (Immagine per gentile concessione di MEAN WELL)

Taglia unica

L'utilizzo di pannelli fotovoltaici, di un inverter ISI-501-212B e di un inverter continuo NTN-5K-148 di MEAN WELL consente ai progettisti di realizzare un sistema completo non dipendente dalla rete, ma l'inverter continuo offre ancora di più. All'interno di un unico prodotto, lo sviluppatore può inserire la ricarica c.a./c.c. per le batterie, l'inversione c.c./c.a. per alimentare gli apparecchi domestici e un'unità di bypass c.a.

NTN-5K-148 richiede un ingresso a 48 V e produce un'uscita a 110 V_c.a.. Può fornire 4.000 W continui con un'efficienza di picco del 93%. Fa parte della serie NTN-5K di MEAN WELL, offerta in diverse varianti. Ad esempio, NTN-5K-2380 è un inverter di potenza c.c./c.a. non dipendente dalla rete a onda sinusoidale vera altamente affidabile, con caricatore c.a. integrato e funzione UPS (bypass c.a.). Le sue caratteristiche principali includono un design digitale con controllo MCU, circuiteria di controllo semplificata che risponde rapidamente ai cambiamenti ambientali e migliora l'affidabilità, una ventola di alta qualità a basso rumore acustico, un'uscita continua di 5000 W e un'uscita a 230 V_c.a. da un ingresso di 380 V_c.c.. L'efficienza di picco è del 94,5% (Figura 4).

Figura 4: NTN-5K-2380 è un inverter di potenza c.c./c.a. non dipendente dalla rete a onda sinusoidale vera con caricatore c.a. integrato e funzione UPS (bypass c.a.). Offre un'uscita continua di 5000 W e un'uscita a 230V_c.a. da un ingresso di 380 V_c.c.. (Immagine per gentile concessione di MEAN WELL)

La serie NTN-5K è adatta per l'uso nei settori residenziale, commerciale, nautico, automotive, minerario, nei cantieri e in aree remote senza accesso all'alimentazione di rete (Figura 5). La serie è dotata di una funzione di condivisione attiva della corrente e può essere collegata per un massimo di 6 unità in parallelo per fornire una maggiore potenza di uscita c.a.

Figura 5: Una tipica applicazione domestica di un inverter NTN-5K (Immagine per gentile concessione di MEAN WELL).

Conclusione

I sistemi di alimentazione non dipendenti dalla rete sono interessanti per l'indipendenza che offrono. Tuttavia, questi sistemi sono complessi da installare e configurare. L'inverter continuo di MEAN WELL ha semplificato e ridotto i costi dell'alimentazione non dipendente dalla rete e della ricarica delle batterie grazie all'impiego di un'unità integrata di ricarica c.a./c.c., inversione c.c./c.a. e bypass c.a. Un esempio è la serie NTN-5K di caricabatterie/inverter che gestiscono le funzioni necessarie per l'alimentazione domestica non dipendente dalla rete e la ricarica delle batterie.