Elettronica di potenza: Inverter e convertitori DC-DC
Introduzione: La sfida della conversione di corrente
I moduli solari sono installati, la batteria è pronta, il sole splende. La base per un impianto solare c'è. Ma manca un componente fondamentale: l'inverter e le sue molteplici funzioni.
La sfida degli impianti solari:
- Le celle solari generano corrente continua (DC)
- Gli elettrodomestici richiedono corrente alternata (AC)
- Le batterie accumulano nuovamente corrente continua (DC)
Per risolvere questo problema si utilizza l'elettronica di potenza. In questo articolo scoprirà come funzionano i vari componenti.
Panoramica: Componenti dell'elettronica di potenza
Sia nella tecnologia solare che in tutti i dispositivi moderni, nulla funziona senza elettronica di potenza. Per gli impianti solari e le batterie vengono impiegati diversi componenti, ciascuno con compiti specifici nella conversione di corrente:
| Componente | Funzione |
|---|---|
| Inverter | DC → AC (da continua ad alternata) |
| Raddrizzatore | AC → DC (da alternata a continua) |
| Step-up (Boost) | Bassa tensione DC → Alta tensione DC |
| Step-down (Buck) | Alta tensione DC → Bassa tensione DC |
| BMS | Battery Management System |
Unidirezionale e bidirezionale
Questi componenti possono essere unidirezionali (in una direzione) o bidirezionali (in entrambe le direzioni):
- Unidirezionale: Possibile solo la conversione da continua ad alternata
- Bidirezionale: Possibili entrambe le direzioni (importante per gli accumuli a batteria!)
L'inverter: Cuore dell'impianto solare
Gli inverter convertono la corrente continua dei moduli solari in corrente alternata. Ciò avviene tramite interruttori comandati elettronicamente, i cosiddetti interruttori di potenza.
Principio di funzionamento: La "commutazione"
- La corrente continua viene accesa e spenta molto rapidamente
- Attraverso durate di commutazione variabili si crea un pattern
- Dalla media dei "frammenti di corrente continua" si ottiene corrente alternata
- La frequenza standard è 50 Hz (Europa)
Il risultato è corrente alternata conforme alla rete, adatta a tutte le applicazioni domestiche.
Funzioni importanti dell'inverter
Oltre alla pura conversione di corrente, i moderni inverter svolgono altre importanti funzioni per il funzionamento sicuro ed efficiente dell'impianto solare:
| Funzione | Descrizione |
|---|---|
| Sincronizzazione di rete | Frequenza e fase vengono adattate alla rete |
| Protezione NA | Disconnette in caso di blackout (protezione per il personale di manutenzione) |
| Limitazione di potenza | Limitazione software (es. regola del 70%) |
| Monitoraggio | Sorveglianza e diagnosi guasti |
Rendimento
Gli inverter moderni raggiungono un rendimento del 96–98%. Le perdite derivano da:
- Perdite di commutazione nei semiconduttori
- Autoconsumo dell'elettronica
- Sviluppo di calore
Il raddrizzatore: Il componente complementare
Un raddrizzatore è l'opposto dell'inverter: converte corrente alternata in corrente continua.
Principio di funzionamento
Durante la rettifica, la corrente alternata viene parzialmente "tagliata":
- Vengono utilizzati solo i "picchi" positivi della corrente alternata
- La media produce una corrente continua approssimativamente costante
- La commutazione ad alta frequenza leviga il risultato
Applicazione negli impianti solari
I raddrizzatori sono necessari quando:
- Una batteria accoppiata in AC viene caricata dalla rete
- L'energia in eccesso dalla rete deve essere accumulata
Convertitori DC-DC: Adattare la tensione
I convertitori DC-DC modificano il livello di tensione della corrente continua senza convertirla in corrente alternata.
Step-up (Boost-Converter)
Converte bassa tensione in alta tensione.
Struttura:
- Sorgente a bassa tensione
- Induttore
- Diodo
- Interruttore di potenza
- Condensatore
Principio di funzionamento:
- Interruttore chiuso: La corrente fluisce attraverso l'induttore, si forma il campo magnetico
- Interruttore aperto: Il campo magnetico collassa, genera corrente
- Il condensatore si carica: La tensione elevata viene immagazzinata nel condensatore
Questo processo si ripete ad altissima frequenza per una tensione stabile.
Step-down (Buck-Converter)
Converte alta tensione in bassa tensione.
Principio di funzionamento:
- Interruttore chiuso: La corrente fluisce verso l'induttore e il condensatore
- Interruttore aperto: Il campo magnetico collassa, la polarità cambia
- Carica alternata: Attraverso il continuo cambio di polarità si ottiene una tensione inferiore
Convertitore DC-DC bidirezionale (Buck-Boost)
Unisce entrambe le funzioni – può aumentare e ridurre la tensione. Importante per:
- Carica della batteria a diversi stati di carica
- Adattamento alla tensione variabile dei moduli solari
Comprendere i componenti base
Per una migliore comprensione, ecco i componenti più importanti:
Induttore
Un conduttore elettrico avvolto che:
- Genera un campo magnetico al passaggio di corrente
- All'interruzione della corrente la lascia scorrere brevemente
Analogia: Come una ruota idraulica inerte che continua a girare dopo lo spegnimento dell'acqua.
Diodo
Lascia passare la corrente solo in una direzione. Funziona come una valvola di non ritorno.
Condensatore
Accumula energia sotto forma di campo elettrico. È costituito da due piastre metalliche contrapposte. Serve come buffer per una tensione stabile.
Interruttore di potenza
Interruttori elettronici a base di semiconduttori:
- Velocità di commutazione estremamente elevata
- Dimensioni ridotte
- Comandati da corrente di controllo
MPPT: Massima potenza dall'impianto solare
Il Maximum-Power-Point-Tracker (MPPT) è spesso integrato nell'inverter. Il suo compito: ottenere sempre la massima potenza dall'impianto solare, indipendentemente dal meteo o dal carico.
Perché è necessario?
La potenza elettrica è: P = U × I (Tensione × Corrente)
Ogni modulo solare ha una curva caratteristica individuale che varia in base a:
- Ombreggiamento
- Variazioni di temperatura
- Irraggiamento variabile
L'algoritmo "Perturb and Observe"
- La tensione viene leggermente aumentata o diminuita (perturbazione)
- Si misura la variazione di potenza risultante (osservazione)
- La potenza è aumentata? → Si continua in questa direzione
- È diminuita? → Si cambia direzione
In questo modo l'MPPT trova continuamente il punto di massima potenza – anche in condizioni variabili.
Battery Management System (BMS)
Gli accumuli a batteria moderni dispongono di un intelligente sistema di regolazione e monitoraggio per un funzionamento sicuro.
Compiti principali del BMS
Il BMS svolge numerose funzioni indispensabili per il funzionamento sicuro e duraturo della batteria:
| Compito | Descrizione |
|---|---|
| Monitoraggio | Tensione, corrente, temperatura di ogni cella |
| Cell-Balancing | Carica uniforme di tutte le celle |
| Rilevamento stato | Calcolo di SoC, SoH, SoP |
| Protezione | Da sovraccarica, surriscaldamento, cortocircuito |
| Comunicazione | Invio dati ad altri sistemi |
Parametri importanti della batteria
Il BMS monitora diversi parametri che forniscono informazioni sullo stato attuale della batteria. Queste abbreviazioni standardizzate si incontrano frequentemente nella documentazione tecnica:
| Abbreviazione | Significato | Domanda |
|---|---|---|
| SoC | State of Charge | Quanto è carica la batteria? |
| SoH | State of Health | Quanto è "sana" la batteria? |
| SoP | State of Power | Quanta potenza può erogare? |
| SoS | State of Safety | Quanto è vicina al limite di sicurezza? |
| SoF | State of Function | Quanto è funzionale la batteria? |
Il BMS monitora questi parametri continuamente e decide le misure per il proseguimento del funzionamento.
Conclusioni
In sintesi: L'elettronica di potenza e l'anello di congiunzione tra moduli solari, batteria e rete domestica. Gli inverter convertono DC in AC, i raddrizzatori inversamente AC in DC. I convertitori DC-DC adattano i livelli di tensione, l'MPPT ottimizza la resa e il BMS protegge la batteria. Senza questi componenti non sarebbe possibile alcun impianto solare moderno.
Cosa succede quando tutte le funzioni sono riunite in un unico dispositivo? Maggiori informazioni nell'articolo Il tuttofare: Inverter ibridi.
La serie completa "Accumulo di energia per impianti solari"
- Dalle cosce di rana alle batterie: Come funziona un accumulo di energia? – Fondamenti
- Litio vs. Piombo: Quale batteria per l'impianto solare? – Confronto tecnologico
- Elettronica di potenza: Inverter e convertitori DC-DC – Siete qui
- Il tuttofare: Inverter ibridi – Tutto in un dispositivo
- AC o DC? Topologie di sistema per impianti solari – Concetti di impianto
Fonti
- Peter Hofmann: Hybridfahrzeuge (Springer Vienna, 2010)
- SMA: Conoscenze di base sugli inverter solari
- HTW Berlin: Efficienza inverter ibridi
- Elektronik-Kompendium: Fondamenti