Nello sforzo continuo di promuovere la sostenibilità a livello globale, la produzione di energia fotovoltaica (FV) emerge come una soluzione indispensabile, che ci aiuta a ridurre le emissioni e a diminuire la nostra dipendenza dalle fonti di energia da combustibili fossili.

Secondo l’Agenzia Internazionale dell’Energia (IEA), nel corso dei prossimi cinque anni assisteremo a un’impennata della capacità di energia rinnovabile, guidata principalmente dal solare fotovol­taico e dall’eolico, che si prevede costituiranno il 96% di tutti i nuovi impianti (1).

Uno dei vantaggi distintivi dell’energia solare, a differenza della generazione di energia tradizionale o eolica, è la sua capacità di essere applicata su larga scala e negli ambienti residenziali più piccoli. Nel 2022, l’introduzione di pannelli solari residenziali ha rappresentato il 23% dell’aumento globale della capacità solare (1).

L’installazione di sistemi solari residenzia­li offre numerosi vantaggi agli utenti. Que­sti sistemi forniscono una fonte di ener­gia costante, pulita e rinnovabile che può essere utilizzata per alimentare elettrodo­mestici, caricare veicoli elettrici e persino reimmettere l’energia in eccesso nella rete. Inoltre, essi consentono alle persone di raggiungere l’autosufficienza e di estende­re la fornitura di elettricità alle aree remo­te senza accesso alla rete. In questo artico­lo, esploreremo gli elementi principali di un sistema solare residenziale ed esami­neremo l’impatto positivo delle soluzioni di alimentazione di onsemi sull’efficienza, l’affidabilità e l’economicità del sistema.

All’interno dei sistemi solari residenziali con inverter

Un sistema solare residenziale con inver­ter è costituito da un insieme di pannelli fotovoltaici che producono una tensione continua variabile. Il convertitore boost DC/DC aumenta la tensione a un livello operativo del circuito intermedio attraver­so una tecnica nota come inseguimento del punto di massima potenza (MPPT). Questo metodo ottimizza l’energia cattura­ta in base all’intensità e all’orientamento della luce solare durante il giorno. Infine, un inverter DC/AC monofase converte la tensione del circuito intermedio (tipica­mente < 600 V DC) dalla matrice di pan­nelli solari in una tensione AC di uscita (da 120 a 240 V).

Tra i vari tipi di inverter solari residenziali, i più comuni sono i micro-inverter e gli in­verter di stringa. In un sistema solare con micro-inverter, vengono impiegati diversi inverter DC-AC, ciascuno dei quali è col­legato a un singolo pannello fotovoltaico e genera tipicamente fino a 1 kW di potenza con monitoraggio individuale del livello di tensione di ciascun pannello, con un approccio efficiente. L’architettura dei si­stemi a micro-inverter li rende anche sem­plici da scalare in caso di aumento della domanda futura.

Figura 1 – Schema a blocchi di un sistema solare residenziale con inverter.

In alternativa, un inverter di stringa com­bina gli ingressi di più pannelli fotovoltai­ci collegati in serie per fornire centinaia di volt. Gli inverter di stringa sono in genere meno costosi dei sistemi a micro-inverter, che richiedono un inverter per ogni pan­nello. Tuttavia, è importante notare che il collegamento di più pannelli solari può comportare una riduzione dell’efficien­za rispetto a un sistema a micro-inverter, poiché l’uscita dell’intero sistema viene influenzata se un singolo pannello riceve meno luce rispetto agli altri della serie.

L’efficienza degli inverter di stringa può essere migliorata utilizzando un ottimiz­zatore di potenza, che è un convertitore DC-DC con MPPT integrato. Questo di­spositivo converte la tensione DC variabi­le dei pannelli fotovoltaici in una tensio­ne DC costante, assicurando che la bassa potenza FV di un pannello non influisca sull’efficienza dell’intero sistema.

Sistema di accumulo dell’energia a batteria

Al centro di molti sistemi solari residenziali c’è il sistema di accumulo dell’energia a bat­teria (BESS). L’energia viene solitamente cat­turata quando è meno richiesta, ad esempio durante il giorno quando gli occupanti sono al lavoro. Con un BESS, questa energia cat­turata viene immagazzinata in una batteria agli ioni di litio o al piombo, consentendone l’utilizzo la sera quando la famiglia è a casa.

Per collegare il BESS all’impianto solare, si utilizza un convertitore bidirezionale. Quest’ultimo carica la serie di batterie quando i pannelli fotovoltaici producono energia e, di notte, quando i pannelli non generano energia, rilascia l’energia imma­gazzinata dalle batterie.

Figura 2 – Diagramma a blocchi di un sistema e micro-inverter (a sinistra) e di un inverter di stringa (a destra).

La possibilità di immagazzinare energia localmente offre ai consumatori la massi­ma tranquillità, in quanto garantisce una fonte di alimentazione di riserva in caso di carenza di elettricità o di interruzione del­la rete. Inoltre, il BESS modulare può es­sere facilmente ampliato senza modificare in modo significativo il sistema esistente.

Convertitore DC−DC bidirezionale

Il convertitore DC-DC bidirezionale gesti­sce sia la carica che la scarica della bat­teria all’interno del sistema di accumulo dell’energia. In genere, viene utilizzata una topologia isolata CLLC risonante o di tipo buck-boost a doppio ponte attivo.

Tale topologia utilizza la commutazione a tensione zero (ZVS) per migliorare l’ef­ficienza e supporta un’ampia gamma di tensioni di ingresso e uscita. Inoltre, essa offre il vantaggio di garantire la sicurezza separando il pacco batteria dal pannello fotovoltaico.

Inverter DC-AC

Nei sistemi residenziali, gli inverter posso­no essere progettati utilizzando diverse to­pologie, come il convertitore HERIC H6.5 che utilizza il modulo IGBT NXH75M­65L4Q1 di onsemi.

Eliminando la necessità di un trasforma­tore, questo design consente di ridurre il peso, le dimensioni e i costi del sistema. Inoltre, la topologia aiuta a ridurre le cor­renti di dispersione che derivano dalla tensione di modo comune (CM), la quale influisce sulle capacità parassite del mo­dulo fotovoltaico, oltre a fornire un’effi­cienza maggiore rispetto a un approccio basato su ponte H.

Figura 3 – La topologia H6.5 è adatta per gli inverter solari residenziali.

In generale, si consiglia di utilizzare una topologia a 3 livelli come questa per appli­cazioni sia monofase che trifase.

Ciò contribuisce a ridurre la distorsione e a garantire una tensione di uscita più stabile.

Convertitore boost DC−DC

I sistemi residenziali utilizzano spesso il convertitore DC/DC a singolo boost come topologia principale non isolata, ma il convertitore flyback è preferito quando è necessario l’isolamento.

Entrambe le topologie sono convenienti e occupano uno spazio minimo

IGBT per sistemi solari residenziali

onsemi offre degli IGBT al silicio con ten­sioni nominali di 600 V e 650 V, ideali per i sistemi solari residenziali.

Questi IGBT utilizzano una tecnologia Field Stop 4 (FS4) con una sezione di as­sorbimento (mesa) stretta e una trincea larga, che offre immunità al latch e riduce la capacità di gate.

Lo strato field-stop aumenta la capacità di blocco e riduce lo spessore dello strato di deriva, diminuendo le perdite energetiche di conduzione e di commutazione a meno di 30 μJ/A.

Un chip IGBT più sottile riduce la resisten­za termica e uno strato di assorbimento più stretto aumenta la densità di potenza, consentendo di alloggiare lo stesso IGBT in un package più piccolo.

Il modello IGBT FS4 offre una migliore ef­ficienza energetica in presenza di carichi leggeri all’interno di un convertitore boost da 4 kW, rispetto ai convertitori che utiliz­zano schemi Field Stop 3 (FS3), e funzio­na altrettanto bene di altri dispositivi con funzione analoga.

Quando si confronta la tecnologia FS3 con gli IGBT FS4, si può osservare che que­sti ultimi presentano un’efficienza massi­ma superiore dello 0,13% e un’efficienza di peso superiore dello 0,08%, che in ultima analisi contribuisce all’ottimizzazione del­la generazione di energia solare.

Figura 4 – Efficienza del sistema Field Stop 4 (FS4) all’interno di un convertitore boost da 4 Kw.

Gli IGBT di onsemi, come i dispositi­vi NXH75M65L4Q1 con tecnologia FS4, sono adatti per gli inverter solari residen­ziali in cui è necessario un equilibrio tra economicità, prestazioni e affidabilità.

Questi IGBT rappresentano un’opzione consolidata e affidabile per le applicazioni solari residenziali, sostenuta dalla reputa­zione di onsemi nel fornire prestazioni e affidabilità e nel garantire una solida sup­ply chain.

Accelerare la progettazione di sistemi solari residenziali

onsemi dispone di un portafoglio com­pleto di prodotti e tool che semplificano la selezione dei componenti per i sistemi solari. Ciò comprende tutta la documen­tazione necessaria (come manuali utente, distinta base, file Gerber, ecc.) per accele­rare lo sviluppo del prodotto.

onsemi offre anche modelli SPICE per i progettisti di sistemi che desiderano con­durre valutazioni e sviluppi di sistemi ap­profonditi.

Questi modelli SPICE possono aiutare ad analizzare il comportamento di recupero inverso e gli effetti parassiti dei dispositivi di commutazione a diversi livelli: di circu­ito, modulo e die, oltre a supportare simu­lazioni termiche per analizzare gli effetti di autoriscaldamento.

Conclusione

I sistemi solari residenziali rappresentano un progresso significativo nella ricerca di soluzioni energetiche sostenibili e offrono agli utenti la possibilità di generare ener­gia pulita e rinnovabile direttamente nel­le loro case. Con la domanda globale di energia solare in continuo aumento, l’otti­mizzazione dell’efficienza, dell’affidabilità e dell’economicità di questi sistemi diventa sempre più importante.

Le soluzioni di alimentazione avanzate di onsemi, esemplificate dalla tecnologia IGBT FS4, contribuiscono a offrire livelli elevati di prestazioni e affidabilità nei si­stemi solari residenziali.

L’utilizzo di una tecnologia all’avanguar­dia, rafforzata da una solida filiera e da tool di supporto completi, rende onsemi un partner affidabile nell’agevolare l’inte­grazione dei sistemi solari residenziali a livello mondiale.

Kane Jia Ingegnere Marketing Applicativo onsemi