Aumentare l'efficienza energetica: il ruolo dei sistemi di accumulo di energia nell'integrazione fotovoltaica

Mentre il mondo si sposta verso fonti di energia più sostenibili e rinnovabili, l'energia solare ha iniziato a svolgere un ruolo primario nel mercato energetico. Gli impianti fotovoltaici sono ampiamente utilizzati da proprietari di case, aziende e società che forniscono servizi di pubblica utilità per la loro capacità di generare energia pulita, riducendo al tempo stesso la dipendenza dai combustibili fossili e i costi di elettricità. Tuttavia, una delle sfide legate all'utilizzo dell'energia solare è la sua natura "intermittente". Poiché il sole non splende sempre, la produzione di energia solare può essere irregolare. La necessità di inverter solari ad alta efficienza, migliore densità di potenza e maggiori capacità di gestione della potenza aumenta di continuo. Una soluzione rivoluzionaria ed efficace per garantire una fornitura energetica costante e affidabile è data dall'integrazione di sistemi di accumulo dell'energia (ESS, energy storage systems) con inverter solari. Man mano che avanzano i progressi tecnologici mentre si riducono i costi, si prevede che l'adozione di sistemi di accumulo dell'energia aumenterà, aprendo la strada a un futuro energetico più sostenibile e resiliente. In questo articolo vengono esaminati i vantaggi, i tipi e le considerazioni sulla topologia per integrare l'accumulo di energia con impianti fotovoltaici in installazioni residenziali e commerciali.

Informazioni sugli inverter solari e sull'accumulo di energia

Gli inverter solari sono il cuore di un impianto fotovoltaico. Essi convertono l'elettricità a corrente continua (CC) generata dai pannelli solari in elettricità a corrente alternata (CA) che va poi ad alimentare la 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 impianto fotovoltaico.

I sistemi di accumulo dell'energia (ESS) sono tecnologie che immagazzinano energia per utilizzarla in un secondo momento, contribuendo a bilanciare la domanda e l'offerta e a migliorare l'affidabilità della rete. Questi sistemi possono immagazzinare diverse forme di energia, ad esempio quella elettrica, chimica, meccanica e termica. Esistono diversi tipi di ESS e di seguito sono riportati i metodi più comuni:

• I sistemi di accumulo dell'energia a batteria (BESS, Battery Energy Storage Systems), come le batterie agli ioni di litio, sono ampiamente utilizzati grazie alla loro elevata densità energetica, all'efficienza e ai costi ridotti. Comune nell'accumulo in rete e nei veicoli elettrici.
• I sistemi di accumulo meccanico, come l'idroaccumulo pompato, sono la tecnologia di accumulo dell'energia su larga scala più comune. Comporta lo spostamento dell'acqua tra due bacini idrici posti a quote diverse. Questo tipo offre la più elevata capacità di accumulo dell'energia.
• I sistemi di accumulo termico, come l'accumulo a sali fusi sono utilizzati nelle centrali solari termiche per immagazzinare calore e generare elettricità, quando necessario. Nelle applicazioni commerciali vengono utilizzati per accumulare energia a breve termine.

I BESS con batterie agli ioni di litio vengono spesso utilizzati negli impianti fotovoltaici per immagazzinare l'elettricità in eccesso prodotta dai pannelli solari. Questa energia immagazzinata può essere utilizzata nei periodi in cui la produzione solare è bassa (di notte e nelle giornate nuvolose) o durante i periodi di picco della domanda, garantendo un'alimentazione elettrica stabile e affidabile.

I vantaggi dell'integrazione dell'accumulo di energia con gli inverter solari

L'integrazione degli ESS con gli inverter solari garantisce affidabilità e indipendenza energetica. Immagazzinando l'energia solare in eccesso, gli utenti possono ridurre la loro dipendenza dalla rete e garantire una fornitura di corrente costante, anche durante le interruzioni o nei periodi di scarsa produzione di energia solare. In questo modo, è possibile utilizzare l'energia solare immagazzinata durante i periodi di picco della domanda o quando i prezzi dell'elettricità sono più alti, con un conseguente calo dei costi delle utenze e riducendo al minimo la pressione sull'infrastruttura elettrica. Inoltre, i sistemi di accumulo dell'energia possono aiutare a stabilizzare la frequenza della rete e a migliorare le prestazioni complessive della rete.

Segmentazione dei sistemi di accumulo di energia

I sistemi di accumulo dell'energia hanno un'ampia gamma di possibili usi. La segmentazione ESS è suddivisa in Front-of-the-meter (FTM) e Behind-the-meter (BTM). Gli FTM ESS sono tipicamente associati a sistemi ad alta potenza con una capacità di oltre 5 MW. In questo caso si utilizza un ingombrante ESS stazionario, a partire dalla fase di generazione in combinazione con sistemi fotovoltaici su larga scala o sistemi eolici, passando alla fase di trasmissione e terminando con la fase di distribuzione. Sul lato destro si trova il BTM ESS. In questo segmento, i sistemi di accumulo dell'energia vengono combinati con gli impianti fotovoltaici residenziali e commerciali nella gamma di potenza da pochi kilowatt a 5 megawatt.

Tipi di inverter solari

Gli inverter di stringa funzionano quando i pannelli solari vengono disposti in stringhe. La corrente continua combinata proveniente dai pannelli viene inviata a un singolo inverter che la converte in corrente alternata. Sono comunemente utilizzati in installazioni residenziali, commerciali e di pubblica utilità. Gli inverter di stringa generano corrente alternata monofase o trifase con livelli di potenza elevati fino a 200 kW. Le tensioni del pannello sono di circa 600 V, seguite da un convertitore boost CC-CC per fornire la tensione del collegamento CC per un inverter monofase. Per gli inverter trifase si utilizza una tensione del pannello da 1000 a 1500 Volt CC con un convertitore boost. Gli inverter di stringa sono convenienti e relativamente semplici da installare e manutenere. Il problema può verificarsi quando un pannello nella stringa è ombreggiato o ha prestazioni insufficienti, il che può influire sulle prestazioni dell'intero sistema.

Al contrario, i microinverter accoppiano ciascun pannello al proprio microinverter e convertono la corrente continua in corrente alternata a livello di pannello. Questi sistemi sono cablati in parallelo, anziché in serie come gli inverter di stringa. Pertanto, se un pannello è ombreggiato o ha prestazioni inferiori, ciò non influisce sulla resa degli altri pannelli. La potenza tipica dei microinverter è compresa tra 200 W e 1,5 kW con una tensione del pannello fotovoltaico compresa tra 40 e 80 V. Questo tipo di inverter è ideale per gli impianti residenziali in cui i pannelli possono essere rivolti in direzioni diverse. Il vantaggio dei microinverter è che massimizzano l'uscita di ciascun pannello in modo indipendente. Gli effetti dell'ombreggiamento o del disallineamento dei pannelli possono quindi essere minimizzati. Inoltre, i microinverter offrono un monitoraggio dettagliato di ciascun pannello per una migliore manutenzione e un migliore monitoraggio delle prestazioni. Lo svantaggio principale è l'elevato costo iniziale rispetto agli inverter di stringa.

L'integrazione dei sistemi di accumulo dell'energia con i pannelli fotovoltaici si traduce in inverter ibridi. Questi tipi di inverter funzionano in entrambi i modi: l'energia solare CC generata viene convertita direttamente in CA oppure immagazzinata prima di essere convertita in CA. Gli inverter ibridi ottimizzano l'uso e l'accumulo dell'energia controllando il flusso di elettricità tra i pannelli solari, le batterie e la rete. Possono essere configurati per dare priorità alla ricarica della batteria, all'interazione con la rete o all'autoconsumo in base alle preferenze dell'utente e alle tariffe dei servizi di pubblica utilità.

Sistemi di accumulo dell'energia accoppiati

Esistono due approcci diversi per integrare l'accumulo di energia tramite batterie con i sistemi solari fotovoltaici. ESS con accoppiamento in CA ed ESS con accoppiamento in CC. Ognuna di queste soluzioni presenta vantaggi e svantaggi, a seconda dell'applicazione specifica, della configurazione del sistema e delle esigenze dell'utente. La differenza fondamentale tra un sistema accoppiato in corrente alternata e uno accoppiato in corrente continua risiede nel percorso che compie l'elettricità una volta generata dai pannelli solari.

In un sistema accoppiato in corrente alternata, l'impianto solare fotovoltaico e il sistema di accumulo a batteria sono collegati alla rete elettrica alternata tramite i rispettivi inverter. I pannelli solari generano corrente continua che viene convertita in corrente alternata da un inverter solare. D'altro canto, il sistema di accumulo a batteria è solitamente dotato di proprie fasi CC-CC bidirezionali e inverter per caricare e scaricare sulla rete CA.

Al contrario, nel sistema accoppiato CC, i pannelli solari e l'accumulo a batteria condividono un bus CC comune e utilizzano principalmente un singolo inverter per convertire l'alimentazione da CC a CA per la rete elettrica o per l'uso domestico. I pannelli solari possono essere utilizzati per caricare le batterie direttamente, pertanto l'alimentazione CC immagazzinata viene convertita in CA tramite un inverter ibrido, quando necessario.

Topologie di potenza per inverter di stringa solari e ESS

Si possono utilizzare diverse topologie di alimentazione per progettare le fasi del convertitore CC/CC e dell'inverter CC/CA. Topologie diverse offrono vantaggi specifici e vengono scelte in base ai requisiti di alimentazione, all'efficienza, ai costi e alla complessità. Ecco alcune delle topologie di alimentazione più comuni:

Nella prima fase del convertitore, il sistema di inseguimento del punto di massima potenza (MPPT) esegue le funzioni di conversione della tensione della stringa a un livello adatto all'inverter. In genere, 400 V per monofase e 800 V per trifase. La fase CC-CC dell'ottimizzatore di potenza MPPT è progettata per massimizzare la potenza in uscita da un impianto fotovoltaico ottimizzando individualmente le prestazioni di ciascun pannello solare nella serie. Regola l'uscita del pannello sul punto di potenza ottimale prima di inviare la corrente alla fase dell'inverter. Questa ottimizzazione è fondamentale poiché la potenza erogata da un pannello solare può variare a causa di variazioni dell'intensità della luce solare, dell'ombreggiamento, della temperatura e del disallineamento dei pannelli.

La tendenza attuale è l'aumento della tensione del collegamento CC a 1000 V o 1500 V, per ridurre le perdite di potenza nel sistema e consentire l'aggiunta di più pannelli in serie. Aumentando la tensione CC massima di un inverter solare a 1500 V o più, gli impianti fotovoltaici diventano più convenienti. Le topologie tipiche per questa fase sono il convertitore boost interlacciato, il convertitore Phase-Shift-Full-Bridge (PSFB) e il convertitore LLC.

Il secondo stadio del convertitore è il DC-DC bidirezionale. Questa fase viene utilizzata per caricare o immagazzinare energia nella batteria e per scaricare o rilasciare questa energia quando necessario. Le topologie isolate tipiche sono CLLLC e DAB.

La fase di potenza dell'inverter converte la tensione del collegamento CC in tensione CA per la rete. Le topologie comuni includono B6 e H-bridge a due livelli e ANPC e HERIC a tre livelli. Le topologie degli inverter multilivello sono diventate di uso comune nelle applicazioni di media e alta potenza. I vantaggi dell'utilizzo di topologie di inverter a tre livelli sono:

1. Riduzione della dissipazione della potenza che porta a un dissipatore di calore più piccolo.
2. Riduzione al minimo dell'ondulazione di corrente, rendendo più semplice il filtraggio grazie al minor contenuto armonico.
3. EMI condotte significativamente inferiori.

Diamo un'occhiata più da vicino alle topologie più comuni per lo stadio CC/CC. La scelta degli interruttori di potenza sul lato secondario dipende dalla tensione della batteria. Ad esempio, i sistemi di accumulo dell'energia residenziali utilizzano spesso batterie da 48 V, mentre il segmento commerciale si orienta maggiormente verso batterie da 400 V.

Convertitore CC-CC a ponte intero con sfasamento di fase ZVS
Per ottenere efficienza e densità di corrente elevate, si consiglia la topologia a ponte completamente sfasato (PSFB) con commutazione a tensione zero (ZVS) in una configurazione di collegamento CC da 400 V con MOSFET al carburo di silicio (SiC) da 650 V per gli interruttori da Q1 a Q4. Gli interruttori sono controllati tramite una tecnica di sfasamento che consente loro di accendersi quando la tensione ai loro capi è zero. Ciò riduce significativamente le perdite di commutazione e le interferenze elettromagnetiche (EMI), oltre a ridurre lo stress sui dispositivi semiconduttori. Inoltre, i diodi SiC 650 rappresentano la scelta giusta per D1 e D2 sul lato primario. In caso di configurazione DC-link da 800 V, è necessario selezionare SiC-MOSFET e SiC-diodi da 1200 V. Sul lato secondario degli interruttori da Q5 a Q8, la selezione degli interruttori di potenza dipende dalla tensione della batteria.

Convertitore CC-CC CLLC
Una delle topologie CC-CC bidirezionali più comuni è il convertitore CLLC. Utilizza due induttori (L) e due condensatori (C) in un circuito a serbatoio risonante. La disposizione in genere assomiglia a un serbatoio risonante "LLC" specchiato sia sul lato primario che su quello secondario. Per gli switch da Q1 a Q4 vengono utilizzati i SiC-MOSFET, mentre per Q5 a Q8 vengono selezionati i MOSFET al silicio (Si). Il design CLLC consente di ottenere ZVS per gli interruttori del lato primario, contribuendo a ridurre le perdite di commutazione e a migliorare l'efficienza. L'efficienza può essere ulteriormente aumentata riducendo al minimo le perdite di commutazione durante lo spegnimento utilizzando la commutazione a corrente zero (ZCS) sul lato secondario. Il convertitore CLLC richiede un controllo preciso per gestire efficacemente la frequenza di risonanza e le sequenze di commutazione.

Convertitore CC-CC DAB
Il convertitore DAB è costituito da due circuiti full-bridge attivi sui lati primario e secondario, collegati da un trasformatore ad alta frequenza. Come nella topologia CLLC, entrambi i ponti sono composti da interruttori attivi che consentono il flusso di potenza bidirezionale. In genere, i SiC-MOSFET vengono utilizzati per gli interruttori da Q1 a Q4 e i Si-MOSFET per quelli da Q5 a Q8. Il convertitore DAB richiede algoritmi di controllo sofisticati per gestire con precisione lo sfasamento tra i ponti.

Inverter CC-CA ANPC
Un ulteriore approfondimento sulla fase dell'inverter mostra che la topologia ANPC (Active Neutral Point Clamped) è una configurazione avanzata dell'inverter. Si basa sulla topologia convenzionale NPC (Neutral Point Clamped) aggiungendo switch attivi che contribuiscono a ridurre sia le perdite di conduzione che quelle di commutazione. L'inverter ANPC può produrre più livelli di tensione, riducendo al minimo lo stress di tensione su ciascun componente e, di conseguenza, è possibile ottenere un'uscita CA più uniforme con una minore distorsione armonica totale. Gli interruttori da Q1 a Q4 funzionano alla frequenza di linea, mentre gli interruttori Q5 e Q6 modulano a una frequenza di 50 kHz o anche superiore. Nella topologia ANPC, tutti gli interruttori di potenza possono essere classificati con una tensione di rottura di 600 o 650 volt. Utilizzando i MOSFET SiC per gli interruttori Q5 e Q6, è possibile ottenere un aumento dell'efficienza e della densità di potenza. Per l'inverter ANPC sono necessari algoritmi di controllo avanzati. Questa topologia è più complessa da progettare e controllare rispetto a topologie come l'H-Bridge.

Inverter CC-CA con ponte H4
La topologia del ponte H è di uso comune grazie alla sua semplicità, efficienza e versatilità, essendo composta da quattro elementi di commutazione. I MOSFET SiC da 650 V o gli HEMT GaN (transistor ad alta mobilità elettronica al nitruro di gallio) sono comunemente utilizzati per la linea di commutazione rapida Q3 e Q4, mentre per Q1 e Q2, i MOSFET a diodo Si con body diode veloce sono la scelta giusta. Lo svantaggio principale di questa operazione a due livelli è che comporta un filtro di uscita relativamente grande, poiché rigenera energia durante la libera circolazione verso il condensatore CC.

La topologia HERIC DC-AC Inverter
HERIC (Highly Efficient and Reliable Inverter Concept) è particolarmente degna di nota per la sua elevata efficienza e le prestazioni superiori nella conversione da CC a CA. In questa configurazione, due interruttori antiparalleli Q5 e Q6 vengono aggiunti all'inverter a ponte H convenzionale per disaccoppiare il lato CA dai moduli fotovoltaici in una fase nulla. Questa topologia è composta da sei interruttori, di cui i quattro sul ponte H (da Q1 a Q4) commutano ad alta frequenza, mentre i due esterni commutano alla frequenza di rete. Gli interruttori Q5 e Q6 fanno passare la corrente di ruota libera 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 in tutte le modalità operative funzionano contemporaneamente solo due interruttori.

I dispositivi a banda larga (WBG) offrono chiari vantaggi per le topologie di convertitori CC-CC bidirezionali e gli inverter CC-CA. I dispositivi SiC e GaN hanno cariche di recupero inverso (Qrr) molto basse o addirittura nessun diodo, il che elimina le perdite di commutazione difficile o di recupero inverso.

Considerazioni sull'installazione e la manutenzione

Il corretto dimensionamento sia dell'impianto fotovoltaico che del sistema di accumulo dell'energia è fondamentale per ottenere prestazioni ottimali. Ciò implica il calcolo del fabbisogno energetico, della potenza dei pannelli solari e della capacità della batteria richiesta. Un sovradimensionamento o un sottodimensionamento possono portare a inefficienze e costi più elevati. La compatibilità tra l'inverter solare e il sistema di accumulo della batteria è fondamentale. Alcuni produttori offrono soluzioni integrate che semplificano l'installazione e il funzionamento. La compatibilità si estende anche al software e ai sistemi di monitoraggio che gestiscono il flusso generale di energia e le prestazioni.

Conclusione

L'integrazione dell'accumulo di energia con gli impianti fotovoltaici rappresenta un progresso significativo nel modo in cui sfruttiamo e utilizziamo l'energia solare. Fornire un'alimentazione elettrica affidabile e costante riduce la dipendenza dalla rete e ottimizza l'uso dell'energia solare. Questi sistemi offrono numerosi vantaggi economici e ambientali. I dispositivi di potenza SiC e GaN consentono il flusso bidirezionale per topologie di rettifica sincrona, ottenendo al tempo stesso efficienza e densità di potenza elevate. Arrow Electronics ha sempre puntato all'efficienza energetica e desideriamo contribuire a questa discussione dimostrando i chiari vantaggi derivanti dalla scelta di dispositivi SiC da 650 V, 1200 V e 2200 V con schede di riferimento che riducono gli sforzi di progettazione e abbreviano i tempi di immissione sul mercato.