Aumentare l'efficienza energetica: Il ruolo dei sistemi di accumulo di energia nell'integrazione fotovoltaica
Scritto da Omara Aziz Leader Globale del Segmento Tecnologico presso Arrow Electronics
Man mano che il mondo si orienta verso fonti di energia più sostenibili e rinnovabili, l'energia solare è emersa come un attore chiave nel mercato energetico. I sistemi solari fotovoltaici (PV) sono ampiamente adottati da proprietari di case, aziende e utilities per la loro capacità di generare energia pulita riducendo la dipendenza dai combustibili fossili e abbassando le bollette elettriche. Tuttavia, una delle sfide dell'energia solare è la sua natura intermittente. Il sole non splende sempre e di conseguenza la produzione di energia può essere incoerente. La necessità di inverter solari con alta efficienza, migliorata densità di potenza e capacità di gestione della potenza superiore continua a crescere. È qui che l'integrazione dei sistemi di accumulo di energia (ESS) con gli inverter solari diventa un punto di svolta e una soluzione potente per garantire un approvvigionamento energetico costante e affidabile. Man mano che la tecnologia continua a migliorare e i costi diminuiscono, si prevede che l'adozione di sistemi solari con accumulo crescerà, aprendo la strada a un futuro energetico più sostenibile e resiliente. Questo articolo esplora i benefici, i tipi e le considerazioni topologiche per l'integrazione dell'accumulo di energia con i sistemi PV in installazioni residenziali e commerciali.
Comprendere gli inverter solari e l'accumulo di energia
Gli inverter solari sono il cuore di un sistema fotovoltaico solare. Convertono l'elettricità in corrente continua (DC) generata dai pannelli solari in elettricità in corrente alternata (AC) che può essere poi immessa nella rete. Oltre alla conversione, gli inverter solari gestiscono il flusso di energia, ottimizzano le prestazioni del sistema e forniscono meccanismi di sicurezza per proteggere l'intero sistema fotovoltaico. I sistemi di accumulo dell'energia (ESS) sono tecnologie che immagazzinano energia per un uso successivo al fine di bilanciare l'offerta e la domanda e migliorare l'affidabilità della rete. Questi sistemi possono immagazzinare energia in varie forme, come elettrica, chimica, meccanica e termica. Esistono diversi tipi di ESS e di seguito sono riportati i metodi più comuni:
- I Sistemi di Accumulo di Energia a Batteria (BESS) come “Batterie agli Ioni di Litio” sono ampiamente utilizzati grazie alla loro alta densità energetica, efficienza e costi in diminuzione. Comuni nell'accumulo a rete e nei veicoli elettrici.
- I Sistemi di Accumulo Meccanico come “Accumulo Idroelettrico a Pompaggio” sono la tecnologia di accumulo su larga scala più consolidata. Coinvolge il movimento dell'acqua tra due serbatoi a diverse altitudini. Questo tipo offre la più alta capacità di accumulo di energia.
- I Sistemi di Accumulo Termico “Accumulo di Sale Fuso” sono utilizzati nelle centrali solari termiche per immagazzinare calore e generare elettricità quando necessario. Sono usati in applicazioni commerciali per l'accumulo di energia a breve termine.
I vantaggi dell'integrazione dello stoccaggio di energia con gli inverter solari
Integrare il ESS con gli inverter solari offre indipendenza energetica e affidabilità. Immagazzinando l'energia solare in eccesso, gli utenti possono ridurre la loro dipendenza dalla rete elettrica e garantire una fornitura di energia costante anche durante le interruzioni o i periodi di bassa generazione solare. Questo consente l'uso dell'energia solare immagazzinata durante i periodi di picco della domanda o quando i prezzi dell'elettricità sono più alti, riducendo così i costi delle utenze e minimizzando la pressione sull'infrastruttura elettrica. Inoltre, i sistemi di accumulo di energia possono contribuire ai servizi di regolazione della frequenza stabilizzando la frequenza della rete e migliorando le prestazioni complessive della rete.
Segmentazione dei Sistemi di Accumulo di Energia
I sistemi di accumulo di energia hanno un'ampia gamma di applicazioni. La segmentazione degli ESS è suddivisa in Front-of-the-meter (FTM) e behind-the-meter (BTM). L'ESS FTM è solitamente collegato a sistemi ad alta potenza superiori a 5 MW di energia. Qui viene utilizzato un ingombrante ESS stazionario, a partire dalla fase di generazione, sia in combinazione con sistemi su scala di utilità fotovoltaica che con sistemi eolici, passando alla fase di trasmissione e terminando con la fase di distribuzione. Sul lato destro vi è l'ESS BTM. In questo segmento, i sistemi di accumulo di energia sono in combinazione con sistemi fotovoltaici residenziali e commerciali nell'intervallo da pochi kilowatt a 5 megawatt.
Tipi di Inverter Solari
Gli inverter di stringa funzionano collegando i pannelli solari insieme alle stringhe. La potenza DC combinata dai pannelli viene inviata a un singolo inverter che la converte in AC. Sono comunemente utilizzati in installazioni residenziali, commerciali e a scala di utilità. Gli inverter di stringa generano AC monofase o trifase a livelli di potenza elevati fino a 200kW. Le tensioni dei pannelli sono intorno ai 600 V, seguite da un convertitore boost DC-DC per fornire la tensione del link DC per un inverter monofase. Per gli inverter trifase, si utilizzano tensioni dei pannelli da 1000 a 1500 Volt DC con un convertitore boost. Gli inverter di stringa sono economicamente convenienti e relativamente semplici da installare e mantenere. Il problema può verificarsi se un pannello nella stringa è ombreggiato o sottoperformante, influenzando così il rendimento dell'intero sistema. Al contrario, i micro inverter accoppiano ciascun pannello con il suo micro inverter individuale e convertono DC in AC a livello di pannello. Questi sistemi sono cablati in parallelo anziché essere cablati in serie come gli inverter di stringa. Pertanto, se un pannello è ombreggiato o sottoperformante, non influisce sull'output degli altri pannelli. La potenza tipica dei micro inverter va da 200W fino a 1,5kW con una tensione della matrice fotovoltaica da 40 a 80V. Questo tipo di inverter è ideale per sistemi residenziali dove i pannelli possono essere orientati in direzioni diverse. I vantaggi dei micro inverter sono che massimizzano l'output di ciascun pannello indipendentemente. Pertanto, l'impatto dell'ombreggiamento o delle discrepanze tra i pannelli può essere minimizzato. Inoltre, i micro inverter offrono un monitoraggio dettagliato di ciascun pannello per una migliore manutenzione e tracciamento delle prestazioni. Lo svantaggio principale è il costo iniziale elevato rispetto agli inverter di stringa. L'integrazione di sistemi di accumulo energetico con pannelli solari fotovoltaici porta a un Inverter Ibrido. Questo tipo di inverter funziona in entrambi i modi, la potenza solare DC generata viene convertita direttamente in AC o immagazzinata prima della conversione in AC. Gli inverter ibridi ottimizzano l'uso e l'accumulo di energia gestendo il flusso di elettricità tra i pannelli solari, le batterie e la rete. Possono essere configurati per prioritizzare la carica della batteria, l'interazione con la rete o l'autoconsumo in base alle preferenze dell'utente e alle tariffe dell'energia.
Sistemi di Accoppiamento per l'Immagazzinamento di Energia
Esistono due approcci diversi per integrare lo stoccaggio della batteria con i sistemi solari fotovoltaici. L'ESS accoppiato in AC e l'ESS accoppiato in DC. Ognuno ha i propri vantaggi e svantaggi a seconda dell'applicazione specifica, della configurazione del sistema e delle esigenze dell'utente. La distinzione chiave tra un sistema accoppiato in AC e uno accoppiato in DC risiede nel percorso che l'elettricità compie una volta generata dai pannelli solari.
In un sistema accoppiato in AC, il sistema solare fotovoltaico e il sistema di accumulo della batteria sono collegati attraverso i rispettivi inverter alla rete AC. I pannelli solari generano energia DC che viene convertita in AC da un inverter solare. Nell'altro percorso, il sistema di accumulo della batteria è tipicamente dotato di stadi bidirezionali DC-DC e inverter propri per la carica e la scarica verso la rete AC. Al contrario, nel sistema accoppiato in DC, i pannelli solari e l'accumulo della batteria condividono un bus DC comune e utilizzano principalmente un unico inverter per convertire l'energia DC in AC per uso in rete o domestico. I pannelli solari possono essere utilizzati per caricare direttamente le batterie e poi l'energia DC accumulata viene convertita in AC tramite un inverter ibrido quando necessario.
| Sistemi di batterie accoppiati in AC | Sistemi di batterie accoppiati in DC |
|---|---|
Pro:
| Pro:
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Contro:
| Contro:
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Topologie di potenza per inverter stringa solari e ESS
Varie topologie di potenza possono essere utilizzate per progettare gli stadi del convertitore CC/CC e dell'inverter CC/CA. Diverse topologie offrono vantaggi distinti e vengono scelte in base ai requisiti di potenza, efficienza, costo e complessità. Ecco alcune delle topologie di potenza più comuni:
Nella prima fase del convertitore, il Maximum Power Point Tracking o (MPPT) svolge le funzioni di tradurre la tensione della stringa a un livello adatto per l'inverter. Tipicamente, 400V per fase singola e 800V per tre fasi. Lo stadio DC-DC ottimizzatore di potenza MPPT è progettato per massimizzare l'output energetico di un sistema fotovoltaico solare ottimizzando individualmente le prestazioni di ogni pannello solare nell'array. Regola l'output del pannello al suo punto di potenza ottimale prima di inviare l'energia allo stadio dell'inverter. Questa ottimizzazione è cruciale poiché l'output di potenza di un pannello solare può variare a causa di cambiamenti nell'intensità della luce solare, ombreggiamento, temperatura e disadattamento dei pannelli. La tendenza attuale è verso l'aumento della tensione del collegamento in CC fino a 1000V o 1500V, per ridurre le perdite di potenza nel sistema e consentire l'aggiunta di più pannelli in serie. Aumentando la massima tensione CC di un inverter solare a 1500V o oltre, gli impianti di potenza fotovoltaica diventano più convenienti. Le tipologie tipiche per questa fase sono il convertitore boost interlacciato e il Phase-Shift-Full-Bridge (PSFB), e il convertitore LLC. La seconda fase del convertitore è il DC-DC bidirezionale. Questa fase è utilizzata per caricare o immagazzinare energia nella batteria e per scaricare o rilasciare questa energia quando necessario. Le tipologie isolanti tipiche sono CLLLC e DAB. Lo stadio di potenza dell'inverter svolge la funzione di convertire il collegamento di tensione CC in tensione CA per la rete. Le tipologie comuni includono B6 a due livelli e H-bridge, e ANPC e HERIC a tre livelli. Le tipologie di inverter a livelli multipli sono diventate popolari nelle applicazioni di potenza media e alta. I vantaggi dell'utilizzo di topologie di inverter a tre livelli sono:
- Riduzione della dissipazione di potenza che porta a un dissipatore di calore più piccolo.
- Minimizzazione del ripple di corrente, quindi il filtraggio è più semplice grazie al minore contenuto armonico.
- EMI condotta significativamente inferiore.
Il convertitore DC-DC a ponte intero a sfasamento ZVS
La topologia Zero voltage switching (ZVS) Phase-Shift-Full-Bridge è raccomandata in un sistema di collegamento a 400V DC con MOSFET al carburo di silicio (SiC) da 650V per gli interruttori Q1 a Q4 per ottenere alta efficienza e alta densità di potenza. Gli interruttori sono controllati con una tecnica di sfasamento che consente loro di attivarsi quando la tensione è zero. Questo riduce significativamente le perdite di commutazione e le interferenze elettromagnetiche (EMI), oltre a ridurre lo stress sui dispositivi semiconduttori. Inoltre, i diodi SiC da 650 sono la scelta giusta per D1 e D2 sul lato primario. In caso di configurazione a 800V DC-link, è necessario selezionare MOSFET SiC e diodi SiC da 1200V. Sul lato secondario per gli interruttori Q5 a Q8, la selezione degli interruttori di potenza dipende dalla tensione della batteria.
Il Convertitore DC-DC CLLC
Una delle topologie bidirezionali DC-DC più comuni è il convertitore CLLC. Utilizza due induttori (L) e due condensatori (C) in un circuito serbatoio risonante. L'organizzazione tipica assomiglia a un serbatoio risonante "LLC" specchiato sia sul lato primario che su quello secondario. I SiC-MOSFET vengono utilizzati per gli interruttori da Q1 a Q4, mentre i MOSFET al Silicio (Si) sono selezionati per Q5 a Q8. Il design CLLC raggiunge la ZVS per gli interruttori sul lato primario, il che aiuta a ridurre le perdite di commutazione e a migliorare l'efficienza. Può raggiungere la commutazione a corrente zero (ZCS) sul lato secondario per migliorare ulteriormente l'efficienza minimizzando le perdite di commutazione durante lo spegnimento. Il convertitore CLLC richiede un controllo preciso per gestire efficacemente la frequenza di risonanza e le sequenze di commutazione.
Il Convertitore DAB DC-DC
Il convertitore DAB consiste in due circuiti a ponte intero attivi sui lati primario e secondario, collegati da un trasformatore ad alta frequenza. Come la topologia CLLC, entrambi i ponti sono composti da interruttori attivi che consentono il flusso di potenza bidirezionale. Tipicamente, vengono utilizzati SiC-MOSFET per gli interruttori Q1 a Q4 e Si-MOSFET per Q5 a Q8. Il convertitore DAB richiede algoritmi di controllo sofisticati per gestire in modo preciso lo sfasamento tra i ponti.
Invertitore DC-AC ANPC
Esplorando ulteriormente lo stadio dell'inverter, la topologia Active Neutral Point Clamped (ANPC) è una configurazione avanzata dell'inverter. Si basa sulla topologia convenzionale Neutral Point Clamped (NPC) aggiungendo interruttori attivi che aiutano a ridurre sia le perdite di conduzione che di commutazione. L'inverter ANPC può produrre più livelli di tensione, il che minimizza lo stress di tensione su ciascun componente, e di conseguenza si può ottenere un'uscita AC più fluida con una minore distorsione armonica totale. Gli interruttori Q1 fino a Q4 operano alla frequenza di linea mentre Q5 e Q6 modulano a 50 kHz o anche più. Nell'ANPC, tutti gli interruttori di potenza possono essere valutati per una tensione di rottura di 600 o 650 volt. Utilizzando SiC-MOSFETs per gli interruttori Q5 e Q6, si può realizzare un aumento dell'efficienza e della densità di potenza. Gli algoritmi di controllo avanzati sono necessari per l'inverter ANPC. Questa topologia è più complessa da progettare e controllare rispetto a topologie come l'H-Bridge.
L'inverter DC-AC H4 Bridge
La topologia a ponte H è popolare grazie alla sua semplicità, efficienza e versatilità, in quanto consiste di quattro elementi di commutazione. Il SiC-MOSFET da 650V o il GaN-HEMT (transistori a elevata mobilità elettronica al nitruro di gallio) sono comunemente utilizzati per la linea di commutazione rapida Q3 e Q4, mentre per Q1 e Q2 i Si-MOSFET con diodo veloce sono la scelta giusta. Il principale svantaggio di questo funzionamento a due livelli è che comporta un filtro di uscita relativamente grande, poiché rigenera energia durante il freewheeling al condensatore DC.
L'inverter CC-CA HERIC
La topologia HERIC (Highly Efficient and Reliable Inverter Concept) è particolarmente notevole per la sua alta efficienza e prestazioni superiori nella conversione da DC ad AC. In questa configurazione, due interruttori anti-parallelo Q5 e Q6 vengono aggiunti all'inverter a ponte-H convenzionale per disaccoppiare il lato AC dai moduli PV in una fase nulla. Sei interruttori conformano questa topologia, in cui i quattro sul ponte-H (Q1 a Q4) commutano ad alta frequenza e i due interruttori esterni commutano alla frequenza della rete. Gli interruttori Q5 e Q6 passano la corrente di freewheel attraverso il percorso più breve durante il periodo in cui la tensione di uscita dell'inverter a ponte-H è zero. Il vantaggio principale dell'inverter HERIC è che solo due interruttori operano simultaneamente in tutte le modalità operative.
I dispositivi a larga banda proibita (WBG) offrono chiari benefici per le topologie dei convertitori bidirezionali DC-DC e degli inverter DC-AC. I dispositivi SiC e GaN hanno cariche di recupero inverso (Qrr) molto basse o addirittura nessun diodo di corpo, eliminando così la commutazione dura o le perdite di recupero inverso.
Considerazioni sull'installazione e la manutenzione
La dimensione corretta sia del sistema fotovoltaico solare che del sistema di accumulo energetico è fondamentale per prestazioni ottimali. Ciò comporta il calcolo delle esigenze energetiche, della produzione dei pannelli solari e della capacità della batteria richiesta. Un sovradimensionamento o un sottodimensionamento possono portare a inefficienze e costi maggiori. La compatibilità dell'inverter solare e del sistema di accumulo della batteria è vitale. Alcuni produttori offrono soluzioni integrate che semplificano l'installazione e il funzionamento. La compatibilità si estende anche ai sistemi software e di monitoraggio che gestiscono il flusso di energia complessivo e le prestazioni.
Conclusione
Integrare l'accumulo di energia con i sistemi fotovoltaici solari rappresenta un avanzamento significativo nel modo in cui catturiamo e utilizziamo l'energia solare. Fornendo un'alimentazione affidabile e costante, si riduce la dipendenza dalla rete e si massimizza l'uso dell'energia solare. Questi sistemi offrono numerosi vantaggi economici e ambientali. I dispositivi di potenza SiC e GaN aiutano a consentire il flusso bidirezionale per le topologie di rettificazione sincrona, ottenendo al contempo alta efficienza e alta densità di potenza. Arrow Electronics è sempre stata focalizzata sulla promozione dell'efficienza energetica e siamo ansiosi di contribuire a questa discussione dimostrando i chiari vantaggi di scegliere i dispositivi SiC da 650V, 1200V e 2200V con schede di riferimento che facilitano lo sforzo progettuale e accorciano i tempi di immissione sul mercato.
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