Control Of The Generated Power In Photovoltaic Systems Through The Maximum Power Point Locus Characterization

La ricerca sulle fonti rinnovabili di energia, come il sole, il vento e le biomasse, è stata incentivata recentemente da due importanti fattori: l’aumento continuo del consumo mondiale di energia, che difficilmente potrà essere sostentato soltanto grazie alle risorse di combustibili fossili, e l’inquinamento causato dalla combustione di questi stessi combustibili, che risulta in gravi conseguenze ambientali, come l’effetto serra e l’aumento della temperatura globale. Per questo motivo, l’utilizzo dei moduli fotovoltaici (PV), che generano energia a partire dalla luce solare, è cresciuto considerevolmente negli ultimi anni. Diversi paesi europei, tali Italia, Germania e Spagna, offrono attualmente degli incentivi statali alla installazione di nuovi impianti fotovoltaici residenziali, nei quali i moduli vengono installati sui tetti delle case e l’energia prodotta viene iniettata nella rete elettrica. Facendo uso di questi incentivi, l’ammontare richiesto per l’acquisito dell’intero sistema potrebbe essere recuperato in un tempo pari alla metà della vita utile dei moduli stessi. In questo modo, l’investimento nei sistemi fotovoltaici diventa interessante non soltanto sotto l’aspetto della “energia pulita”, ma anche sotto quello economico. Ne risulta che il mercato in questo settore cresce continuamente, sia per i moduli solari che per la elettronica che serve di interfaccia tra i moduli e il loro carico. L’applicazione dell’Elettronica di Potenza ai sistemi fotovoltaici permette, tramite i convertitori di potenza commutati, il controllo sia della energia generata dai moduli sia della consegna di questa energia al carico. Dal lato del carico, questi convertitori possono, ad esempio, controllare la carica di una (serie di) batteria (e), nel caso di un sistema autonomo, oppure, se si tratta di un sistema grid-connected, controllare l’iniezione dell’energia nella rete pubblica. Il presente lavoro si è concentrato sull’aspetto della generazione di energia nei moduli fotovoltaici, più specificamente a uno dei compiti a essa associati, ovvero il raggiungimento del punto di massima potenza (MPPT). Per le sue caratteristiche fisiche, un modulo solare presenta sempre un punto di lavoro ottimo dove la generazione di energia elettrica è massima. Anche se questo punto di massima potenza (MPP) è unico, esso varia con le condizioni di illuminazione e temperatura. Queste variazioni, quindi, devono essere compensate dal convertitore tramite un algoritmo di controllo adeguato, chiamato anche metodo di MPPT. Uno dei risultati significativi presentati in questo lavoro è appunto un algoritmo per il raggiungimento del punto di massima potenza basato sulla caratterizzazione matematica del punto di massimo, fatto a sua volta a partire dal modello elettrico equivalente di un modulo fotovoltaico. In questo modo è stato possibile definire una retta sul piano tensione-corrente del generatore, in prossimità della quale si trovano i punti di massimo per un certo intervallo di illuminazione. Inoltre, l’equazione di questa retta, denominata Voltage Linear Reference (VLR), viene compensata in temperatura tramite l’aggiornamento periodico del valore della tensione a vuoto del modulo. La validazione del metodo proposto è stata dimostrata tramite risultati di simulazione, ma anche sperimentalmente utilizzando un circuito caricabatterie costruito appositamente e alimentato da un modulo fotovoltaico da 55W. Un secondo ambito di ricerca ha riguardato uno degli algoritmi di MPPT più utilizzati attualmente, denominato Perturb & Observe (P&O), dove il valore di tensione o corrente del generatore viene continuamente alterato. La direzione della perturbazione – aumento o diminuzione della tensione/corrente – è determinata dall’effetto della perturbazione precedente sulla potenza generata. Una volta che l’incremento è realizzato a passi di ampiezza fissa, l’algoritmo P&O in pratica non riesce a raggiungere il punto di massimo esatto, ma oscilla nel suo intorno ad una frequenza multipla della frequenza di iterazione del metodo. Nel caso migliore, l’ampiezza di queste oscillazioni è pari al doppio dell’ampiezza del disturbo. Se la frequenza di iterazione fMPPT del metodo è eccessivamente alta, invece, viene osservato un aumento dell’ampiezza delle oscillazioni. In questo lavoro è stata proposta una funzione descrittiva del metodo P&O, che permette al progettista del sistema di controllo di determinare il valore della frequenza fMPPT sopra la quale le oscillazioni subiranno un aumento di ampiezza, potendo così scegliere un valore adeguato per la frequenza di iterazione del metodo.