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Modellazione e caratterizzazione dei pannelli solari

da | 25 Apr, 24 | Elettronica di potenza |

I modelli SPICE sono potenti strumenti che possono essere uti lizzati per simulare il comportamento di circuiti elettronici. La rete mette a disposizione i modelli per quasi tutti i componenti elettronici, per cui il progettista ĆØ ampiamente agevolato da ciĆ². Negli ultimi anni cā€™ĆØ stato un crescente interesse nello sviluppo di modelli SPICE per i pannelli solari, che possono essere utilizzati per simulare il loro comportamento in una varietĆ  di circostanze, tra cui diverse condizioni di irraggiamento e temperatura.

Figura 1: il circuito equivalente del modello ideale del diodo.

Il modello di una cella fotovoltaica

La modellazione della cella solare puĆ² essere eseguita con diversi software ed esistono molti metodi per rappresentare un modello di cella fotovoltaica. Il comportamento e le caratteristiche della cella solare possono essere ben rappresentati da equazioni matematiche. I modelli SPICE dei pannelli solari possono essere utilizzati per la progettazione di sistemi fotovoltaici e per analizzare le relative prestazioni in un sistema quasi reale. Oggi molti modelli sono abbastanza accurati in quanto sono basati su equazioni fisiche che descrivono il comportamento dei pannelli solari. Di seguito presentiamo un modello utilizzabile per la modellazione e la simulazione di un pannello fotovoltaico, relativamente alle sue caratteristiche DC e la sua concezione ĆØ molto semplificata. La tecnologia fotovoltaica si basa sul la creazione di una lacuna elettronica su ogni cella, composta da uno strato di tipo P e uno di tipo N. Inoltre la caratteristica della curva I – V di una cella solare ĆØ abba stanza simile a quella di un diodo ideale. Per comprendere il funzionamento di una cella fotovoltaica ideale ĆØ necessario osservare il circuito equivalente del modello ideale del diodo, mostrato in figura 1. Essa ĆØ composta da una sorgente di corrente IL, collegata in parallelo al diodo e la corrente in uscita puĆ² essere calcolata utilizzando la legge di Kirchhoff:

I= IL – ID

Tuttavia, questo modello non ĆØ in grado di produrre risultati accurati per la caratterizzazione delle curve I – V e P – V di una cella solare.

Un modello piĆ¹ realistico

Una rappresentazione piĆ¹ realistica di una cella solare ĆØ quella mostrata inĀ figura 2, nella quale sono presenti anche le perdite del circuito, attraverso la presenza di due resistori, uno in serie e uno in parallelo alla linea. La Rs rappresenta la resistenza serie della cella mentre Rsh rappresenta la resistenza dello shunt che ĆØ inversamente proporzionale alle perdite di corrente ver so terra. Il resistore in serie ha un gran de impatto sulla caratteristica I-V della cella solare. Una tipica cella fotovoltaica produce meno di 3.5 W a 0.6 V circa ma ĆØ possibile ottenere una potenza piĆ¹ elevata collegando molte celle solari in una configurazione serie-parallelo, attraverso tanti gruppi di diverse celle assemblate in un array fotovoltaico. Il modello generico ĆØ formato dalle seguenti parti:
ā€¢ un generatore di corrente ideale I1 con corrente {Ipv};
ā€¢ un diodo ideale D1;
ā€¢ un resistore in parallelo R1 di impedenza {Rsh};
ā€¢ un resistore in serie R2 di impedenza {Rs};
ā€¢ un carico R3.

Figura 2: un modello piĆ¹ realistico di cella solare.

ƈ possibile impostare i valori delle variabili secondo le proprie esigenze. La prima prova che si puĆ² eseguire ĆØ quella della prova della cella solare in corto circuito, ossia quando il valore del carico resistivo di R3 ĆØ estremamente basso. Si supponga, ad esempio, di prevedere un cortocircuito con un valore di carico di 0.01 Ohm. I parametri operativi della simulazione sono i seguenti:
ā€¢ I(D1): 1.091 nA;
ā€¢ I(I1): 3 A;
ā€¢ I(load): 2.99997 A;
ā€¢ I(R2): -2.99997 A;
ā€¢ I(R1): 30.0027 uA.

Unā€™altra interessante prova da effettuare ĆØ quello di testare la cella senza carico, ossia a circuito aperto, con i suoi terminali liberi. In questo caso la corrente non puĆ² attraversare la rete del carico, dal momento che esso non ĆØ presente, perciĆ² lā€™unica via percorribile ĆØ quella di attraversare il dio do. Ai capi del diodo si instaura una caduta di tensione che, effettivamente, corri sponde alla tensione della cella a circuito aperto. I parametri operativi della simula zione a circuito aperto sono i seguenti:
ā€¢ V(diode): 0.862203 V;
ā€¢ I(D1): 2.99995 A;
ā€¢ I(I1): 3 A;
ā€¢ I(R3): 0 A;
ā€¢ I(R2): 0 A;
ā€¢ I(R1): 86.2203 uA.

Un primo approccio per la caratterizzazione della curva ĆØ mostrato in figura 3, nella quale si puĆ² osservare il grafico della corrente nel dominio della tensione della cella solare. In esso si puĆ² leggere la corrente che passa sul carico, secondo i seguenti due assi:
ā€¢ sullā€™asse X ĆØ riportata la tensione pre sente allā€™uscita della cella solare, alla presenza di un carico;
ā€¢ sullā€™asse Y ĆØ riportata la corrente che attraversa il carico.

Figura 3: la caratterizzazione di una cella solare.

Nello stesso grafico, in basso, si puĆ² osservare la potenza dissipata dal carico. Questo ĆØ uno dei piĆ¹ semplici, ma efficaci, modi per simulare una cella solare. Ovviamente un pannello solare ĆØ un complesso collega mento in serie e in parallelo di tante celle, pertanto ĆØ sufficiente creare una fitta rete di celle primarie per costituire un sistema piĆ¹ complesso. Per caratterizzare reali pannelli commerciali, ovviamente lā€™unica fonte disponibile delle informazioni ĆØ la scheda tecnica del produttore, da cui si possono evincere tutti i parametri richiesti. I modelli piĆ¹ sofisticati prevedono anche le specifiche relative alla temperatura di esercizio e al li vello di irradiazione sul pannello stesso.

Lā€™array di celle fotovoltaiche

Come detto in precedenza, una sola cel la ĆØ capace di produrre meno di 3.5 W a 0.6 V circa, Nella maggior parte dei casi occorre maggiore tensione e corrente, per cui ĆØ possibile ottenere una maggiore potenza collegando tra loro tante celle solari in una configurazione in serie e in parallelo, mediante tanti array fotovoltaici. molto semplice eseguire tale simulazione, utilizzando lo stesso modello precedente e modificando solo alcuni parametri. Una prima soluzione ĆØ quella di collegare, fisicamente, tanti moduli in serie, in modo da moltiplicare la tensione delle celle. LaĀ figura 4Ā mostra un collegamento di ben 12 celle che alimentano un carico da 12 ohm. Spesso ĆØ consigliabile incapsulare il modello in unā€™unica entitĆ , in modo da gestirla piĆ¹ comodamente come un unico blocco. Un altro metodo per mantenere al minimo la dimensione dello schema elettrico ĆØ quello di utilizzare una sola cella, cambiando perĆ² alcuni parametri SPICE relativi al diodo. Le caratteristiche DC del diodo, infatti, sono determinate dai para metri IS (Saturation current) e N (Emission coefficient). In particolare si puĆ² moltiplicare il coefficiente di emissione modificando il codice SPICE come segue:

D1 N001 0 D N=12

o altro valore necessario.

Figura 4: un pannello solare ĆØ formato da tante singole celle.

Conclusioni

La simulazione elettronica di una cella sola re ĆØ un primo passo fondamentale per la realizzazione di sistemi fotovoltaici. I modelli SPICE possono essere utilizzati per simula re il comportamento di una cella solare in una varietĆ  di condizioni, tra cui le diverse condizioni di irraggiamento e temperatura. Le informazioni erogate in questo articolo sono estremamente semplici ma rappresentano un buon punto di partenza per comprendere come funziona la simulazione di una cella solare. Dalla semplice simulazione si puĆ² poi passare alla realizzazione di un modello piĆ¹ sofisticato, che tenga conto di fattori piĆ¹ complessi, come la struttura fisica della cella, la presenza di impuritĆ  e le condizioni di funzionamento. importante ricordare che non esiste una soluzione unica per la simulazione di una cella solare. Vi sono, infatti, diverse tecniche e approcci che possono essere utilizzati, a seconda delle esigenze specifiche, dunque, importante valutare attentamente le opzioni disponibili per scegliere quella piĆ¹ adatta al proprio progetto. La simulazione di celle solari ĆØ un campo in rapida evoluzione e i produttori stanno lavorando per sviluppare nuovi modelli che siano piĆ¹ accurati e realistici. Questi nuovi modelli potranno essere utilizzati per migliorare la progettazione e lā€™efficienza dei sistemi fotovoltaici, in modo da valutare le prestazioni di nuovi materiali e tecnologie in condizioni reali.

Giovanni De Maria

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