Capitolo 5

Capitolo 5

Architetture fotovoltaiche per SPV1020

5.1 Introduzione

Dal capitolo precedente si è appreso come il convertitore SPV1020 è risultato più efficiente, e più preciso nel calcolo del MPPT rispetto al convertitore STM8.

Esso sarà dunque il punto di partenza per la realizzazione del battery charger per sistemi fotovoltaici stand alone.

Rimane da analizzare, come possa cambiare l’efficienza di sistema e di MPPT del convertitore SPV1020, quando viene inserito in un impianto fotovoltaico.

Un impianto fotovoltaico è costituito da più pannelli collegati tra di loro in serie o in parallelo, usando un unico convertitore in un’architettura centralizzata, oppure usando un convertitore per ogni pannello, secondo un’architettura distribuita.

Le possibili combinazioni possono allora essere quattro:

1. Architettura centralizzata serie 2. Architettura centralizzata parallela 3. Architettura distribuita serie

4. Architettura distribuita parallela

L’architettura centralizzata prevede l’utilizzo di un solo convertitore a fronte di uno o più pannelli fotovoltaici collegati a monte, in serie o parallelo.

L’architettura distribuita prevede l’utilizzo di un convertitore per ogni pannello fotovoltaico collegato a monte, con le uscite dei convertitori collegate in serie o parallelo.

Per testare le quattro architetture di cui sopra, sono stati usati una coppia di convertitori e di sorgenti fotovoltaiche.

Durante i test i due pannelli sono rappresentati dai due canali del SAS. Le prove di seguito descritte, sono state fatte, simulando due situazioni meteorologiche tipiche per i sistemi fotovoltaici, cioè quando entrambi i pannelli sono soggetti alla luce del sole o quando uno dei due risulta ombreggiato.

Per simulare il caso in cui i due pannelli sono soggetti alla luce del sole, vengono impostati i seguenti valori su entrambi i canali del SAS:

VMP = 8V - VOC =11V

IMP = 4A - ISC = 4.1A

Per simulare invece il caso in cui un pannello e’ ombreggiato, il canale del SAS e’ stato impostato con:

VMP = 8V - VOC = 11V

IMP = 2A - ISC = 2.1A

cioè metà della corrente rispetto al canale che rappresenta il pannello soleggiato.

5.2 Architetture in condizioni di luminosità totale e parziale

1. Architettura centralizzata serie

L’architettura centralizzata serie prevede l’utilizzo di un solo convertitore SPV1020 e a monte la serie di due pannelli fotovoltaici come visibile in figura 5.0:

Figura 5.0: Architettura centralizzata serie

La tensione in ingresso al convertitore è pari alla somma delle tensioni dei due pannelli, mentre la corrente d’ingresso è comune ai due pannelli. La seguente tabella mostra i valori misurati di Vin e Iin, nonché minimo e massimo di Vout e Iout, ottenuti programmando il SAS con i valori descritti nel paragrafo 5.1:

Vin [V] Iin [A] Vout [V] Iout [A] Pannelli soleggiati 17 3.9 20 36 3.19 1.75 Pannello ombreggiato 18.6 2 20 36 1.75 0.95

Figura 5.1: Valori misurati delle principali grandezze elettriche

Con questi valori di corrente e tensione, il convertitore lavora in CCM nel caso di pannelli soleggiati, mentre in caso di pannello ombreggiato lavora in CCM per Vout <= 19V e in DCM per Vout > 19V.

Di seguito vengono mostrati i grafici relativi all’efficienza di sistema, di MPPT e alla potenza d’uscita in condizioni di luminosità totale e parziale:

Figura 5.2: Andamento dell’efficienza di sistema per il convertitore SPV1020 in condizioni di luminosità totale e parziale

Figura 5.3: Andamento dell’efficienza di MPPT per il convertitore SPV1020 in condizioni di luminosità totale e parziale

Figura 5.4: Andamento della potenza d’uscita per il convertitore SPV1020 in condizioni di luminosità totale e parziale

Come si vede dalla figura 5.2 l’efficienza di sistema è circa la stessa nelle due condizioni di luminosità.

L’efficienza di MPPT nel caso ombreggiato è addirittura leggermente superiore rispetto al caso soleggiato.

L’aspetto più interessante lo si deduce dalla figura 5.4 dove si può chiaramente osservare come in un pannello ombreggiato diminuisce notevolmente la potenza d’uscita.

Questo perchè il pannello ombreggiato fornisce meno corrente, e impone la corrente per l’altro pannello (quello soleggiato), limitandone di fatto la potenza che quest’ultimo sarebbe in grado di fornire.

Infatti per un pannello il gap di tensione tra Vmp e Voc è minimo, mentre il gap di corrente tra Imp e Isc è elevato, quindi ridurre la corrente in un pannello vuol dire spostarsi su punto della caratteristica I/V dove la tensione rimane più o meno la stessa, mentre la corrente risulta ridotta, e di conseguenza pure la potenza (V*I).

2. Architettura centralizzata parallela

L’architettura centralizzata parallela prevede l’utilizzo di un solo convertitore SPV1020 e a monte il parallelo di due pannelli fotovoltaici come visibile in figura 5.5:

Figura 5.5: Architettura centralizzata parallela

La corrente in ingresso al convertitore è pari alla somma delle correnti dei due pannelli, mentre la tensione d’ingresso è comune ai due pannelli. La seguente tabella mostra i valori misurati di Vin e Iin, nonché minimo e massimo di Vout e Iout, ottenuti programmando il SAS con i valori descritti nel paragrafo 5.1:

Vin [V] Iin [A] Vout [V] Iout [A] Pannelli soleggiati 8.31 7.8 10 36 1.57 5.71 Pannello ombreggiato 8.32 5.96 10 36 1.22 4.45

Con questi valori di corrente e tensione il convertitore lavora in CCM in entrambe le condizioni di luminosità.

Di seguito vengono mostrati i grafici relativi all’efficienza di sistema, di MPPT ed energetica in condizioni di luminosità totale e parziale:

Figura 5.7: Andamento dell’efficienza di sistema per il convertitore SPV1020 in condizioni di luminosità totale e parziale

Figura 5.8: Andamento dell’efficienza di MPPT per il convertitore SPV1020 in condizioni di luminosità totale e parziale

Figura 5.9: Andamento dell’efficienza energetica per il convertitore SPV1020 in condizioni di luminosità totale e parziale

Figura 5.10: Andamento della potenza d’uscita per il convertitore SPV1020 in condizioni di luminosità totale e parziale

L’efficienza di sistema nel caso ombreggiato è superiore rispetto al caso soleggiato, perché le perdite di potenza dovute alla resistenza degli induttori aumentano col quadrato della corrente.

In figura 5.10 si osserva come nonostante la potenza d’uscita nel caso di sole pieno sia ovviamente più alta rispetto al caso ombreggiato, l’efficienza energetica di quest’ultimo è più elevata (figura 5.9).

Questo perché il gap tra le due potenze d’uscita è in proporzione inferiore al gap tra le due efficienze di MPPT (figura 5.8).

3. Architettura distribuita serie

L’architettura distribuita serie prevede l’utilizzo di un convertitore SPV1020 per ogni pannello fotovoltaico in ingresso, inoltre i due SPV1020 hanno le uscite collegate in serie come visibile in figura 5.11:

Figura 5.11: Architettura distribuita serie

La seguente tabella mostra i valori misurati di Vin e Iin, nonché minimo e massimo di Vout e Iout, ottenuti programmando il SAS con i valori descritti nel paragrafo 5.1:

Vin1 [V] Iin1 [A] Vin2 [V] Iin2 [A] Vout [V] Iout [A] Pannelli soleggiati 8.44 3.96 8.42 3.9 20 36 1.72 3.1 Pannello ombreggiato 8.44 4 8.73 2.06 20 36 1.29 2.31

Con questi valori di corrente e tensione, i due convertitori lavorano in CCM nel caso di pannelli soleggiati.

In caso di pannello ombreggiato, il corrispondente convertitore lavora in CCM per Vout ≤ 16V e in DCM per Vout > 16V, mentre il convertitore del pannello soleggiato continua a lavorare in CCM.

Di seguito vengono mostrati i grafici relativi all’efficienza di sistema, di MPPT ed energetica in condizioni di luminosità totale e parziale:

Figura 5.13: Andamento dell’efficienza di sistema per il convertitore SPV1020 in condizioni di luminosità totale e parziale

Figura 5.14: Andamento dell’efficienza di MPPT per il convertitore SPV1020 in condizioni di luminosità totale e parziale

Figura 5.15: Andamento dell’efficienza energetica per il convertitore SPV1020 in condizioni di luminosità totale e parziale

Come si vede dalle figure, le varie efficienze non presentano differenze degne di nota, nelle due condizioni di luminosità.

4. Architettura distribuita parallela

L’architettura distribuita parallela prevede l’utilizzo di un convertitore SPV1020 per ogni pannello fotovoltaico in ingresso, inoltre i due pannelli fotovoltaici sono collegati in parallelo come visibile in figura 5.16:

Figura 5.16: Architettura distribuita parallela

La seguente tabella mostra i valori misurati di Vin e Iin, nonché minimo e massimo di Vout e Iout, ottenuti programmando il SAS con i valori descritti nel paragrafo 5.1:

Con questi valori di corrente e tensione, i due convertitori lavorano in CCM nel caso di pannelli soleggiati.

In caso di pannello ombreggiato, il corrispondente convertitore lavora in CCM per Vout ≤ 16V e in DCM per Vout > 16V, mentre il convertitore del pannello soleggiato continua a lavorare in CCM.

Di seguito vengono mostrati i grafici relativi all’efficienza di sistema, di MPPT ed energetica in condizioni di luminosità totale e parziale:

Figura 5.18: Andamento dell’efficienza di sistema per il convertitore SPV1020 in condizioni di luminosità totale e parziale

Figura 5.19: Andamento dell’efficienza di MPPT per il convertitore SPV1020 in condizioni di luminosità totale e parziale

5.3 Perdite di potenza nel convertitore SPV1020

Prima di passare al confronto tra le varie architetture bisogna ricordare quali sono le perdite nel convertitore SPV1020, iniziando dagli induttori. In CCM la corrente che scorre in ognuno dei 4 induttori presenta un elevato valore efficace (IRMS), e un basso valore di picco (IPEAK), quindi

le perdite sono in prevalenza dovute alla resistenza parassita, come spiegato nel paragrafo 1.5.4.

Viceversa, in DCM, la corrente che scorre in ognuno dei 4 induttori presenta un elevato valore di picco, e un basso valore efficace, quindi le perdite sono in prevalenza dovute all’isteresi e alle correnti di perdita nel nucleo degli induttori.

Ci sono poi le perdite per conduzione e di switching dei MOS utilizzati come interruttori e come rettificatori:

MOS RETT MOS IT MOS TOT

P

P

P

₌

₊

Le perdite per conduzione e di switching dei MOS integrati utilizzati come interruttori sono pari a:

MOS COD IT MOS SW IT MOS IT

P

P

P

₌

₊

t

t

f

I

V

P

₌

⋅

(

₊

)

_⋅

2

D

I

R

P

₌

_⋅

_⋅

• fsw = frequenza di switching

• VIN,VOUT,IIN,IOUT = Tensione e corrente di ingresso/uscita del

boost SPV1020.

• t2 + t3 è il tempo totale in cui il prodotto VDS*ID è non nullo,come

Figura 5.21: Andamento VDS-ID durante lo switching di un mos

Le perdite per conduzione e di switching dei MOS integrati utilizzati come rettificatori sono pari a:

MOS SW RETT MOS COD RETT MOS RETT

P

P

P

₌

₊

t

t

f

I

V

V

P

₌

−

⋅

(

₊

)

_⋅

2

)

(

)

1

(

R

I

D

P

₌

_⋅

_⋅

₋

Le perdite dovute alla resistenza dei fili di bonding (RWIRE), sono pari a

2

I WIRE BODIG

R

I

P

₌

_⋅

5.4 Confronto tra le architetture

5.4.1 Architetture in condizioni di luminosità totale

Per fare un confronto tra le varie architetture, si è preferito non prendere in considerazione tutte le figure di merito fin qui menzionate, ma solo la potenza d’uscita, a parità di potenza d’ingresso. I convertitori di tutte e quattro le architetture lavorano in CCM in questo caso, seppur con correnti diverse.

Figura 5.22: Andamento della potenza d’uscita per il convertitore SPV1020 in condizioni di luminosità totale nelle diverse architetture

Come si nota dalla figura 5.22 in condizioni di luminosità totale la potenza d’uscita più elevata viene raggiunta dall’architettura centralizzata serie.

Questo avviene perché il convertitore lavora con correnti e con rapporti di trasformazione più bassi in assoluto, ed entrambe i fattori influiscono positivamente sull’efficienza.

Per esempio, in questo caso, le perdite stimate sugli induttori sono solo di 312 mW.

L’architettura distribuita serie presenta potenze d’uscita poco inferiori della centralizzata serie , nonostante i convertitori delle due architetture lavorino con correnti e con rapporti di trasformazione dello stesso ordine di grandezza.

L’architettura distribuita serie però, è caratterizzata dalla presenza di due convertitori, quindi le perdite rispetto alla centralizzata serie raddoppiano.

L’architettura distribuita parallela lavora con correnti simili alla distribuita serie ma con alti rapporti di trasformazione, ecco perché presenta una potenza d’uscita leggermente inferiore rispetto a quest’ultima.

Infine l’architettura centralizzata parallela, presenta la potenza d’uscita più bassa di tutte, perché in tal caso il convertitore, oltre a lavorare con correnti più alte in assoluto, presenta un rapporto di trasformazione elevato, ed entrambe i fattori incidono negativamente sull’efficienza dell’SPV1020.

Per esempio, in questo caso, le perdite stimate sugli induttori sono di ben 1.2 W.

5.4.2 Architetture in condizioni di luminosità parziale

La situazione più significativa, perché più vicina alla realtà, è quella mostrata in figura 5.23, in cui un pannello si trova in condizioni di parziale luminosità.

Figura 5.23: Andamento della potenza d’uscita per il convertitore SPV1020 in condizioni di luminosità parziale nelle diverse architetture

In tal caso l’architettura distribuita, indipendentemente dal tipo serie o parallelo, presenta meno perdite della centralizzata.

Questo si intuisce banalmente considerando che un convertitore collegato ad un pannello riesce a estrarre la massima potenza da quest’ultimo, mentre se collegato a due pannelli, estrae la potenza media tra i due.

Da notare infine che, l’architettura centralizzata serie, la quale presenta la potenza d’uscita più alta in assoluto nel caso di luminosità totale, stavolta presenta la potenza d’uscita più bassa in assoluto.

Questo perché, il pannello ombreggiato obbliga l’altro pannello a lavorare con una corrente inferiore e ne limita di fatto, la potenza, come già esposto nel paragrafo 5.2.

5.4.3 Conclusioni

In base ai risultati ottenuti dal paragrafo precedente si può concludere che, nel caso in cui si vuole far lavorare il convertitore SPV1020 con un elevato rapporto di trasformazione conviene utilizzare un’architettura distribuita serie.

Per esempio nel caso del tetto fotovoltaico, l’inverter trasforma 400 VDC, che provengono dal convertitore DC-DC a monte, in 220 VAC per la rete domestica.

Per ottenere 400 VDC si possono collegare in serie un certo numero di SPV1020, secondo l’architettura distribuita serie.

Viceversa, nel caso di basso rapporto di trasformazione, come per le street light o le solar lantern conviene orientarsi su un’ architettura distribuita parallela.