Luci ed ombre sui diodi di Bypass
Ovvero, a cosa servono e quando intervengono.

I diodi di bypass sono dei diodi che vengono inseriti all'interno dei moduli fotovoltaici, per evitare che una eventuale corrente inversa possa circolare nelle celle, creando dei punti caldi ( Hotspot ), che possono creare danni.

I diodi di bypass di solito raggruppano un certo numero di celle, chiamate sottosezioni, in modo da permettere l'esclusione anche parziale del modulo e di solito queste sottosezioni sono disposte geometricamente per la lunghezza del modulo, ( come vedremo piu' avanti l'organizzazione geometrica delle sottosezioni puo avere una valenza nella scelta della disposizione ottimale da utilizzarsi per l'installazione.)

Oltre ad una mera funzione di protezione i diodi di bypass sono annoverati nel permettere, in una stringa di pannelli posta in serie, l'esclusione dei moduli che risultassero ombreggiati.

E' noto infatti che il sopraggiungere di un'ombra su di un modulo fotovoltaico, determina la drastica riduzione dell'energia elettrica prodotta e il manifestarsi di una forte riduzione della corrente circolante.

Se il modulo ombreggiato e' posto in serie ad altri moduli, ne può conseguire che la riduzione di corrente vada ad interessare l'intera stringa e la perdita di energia conseguente, si moltiplica per tutti i moduli interessati. ( effetto palo )

Questo utilizzo molto importante dei diodi di bypass e' piuttosto conosciuto ma non lo e' altrettanto il modo in cui si può far entrare in conduzione un diodo posto in parallelo ad un modulo ombreggiato...

Cerchiamo in questo articolo di spiegare il perché un ombra può determinare l'inversione della tensione applicata ad un modulo e il ruolo fondamentale che ha l' inverter nello sfruttamento di questo fenomeno.

Innanzi tutto facciamo subito alcune precisazioni.. la tensione applicata ai capi di un modulo fotovoltaico ombreggiato non dipende dalla condizione di irraggiamento dello stesso, ma piuttosto dalle condizioni di carico a cui e' sottoposto; inoltre un modulo ombreggiato e' ancora perfettamente in grado di ricevere la quota diffusa dell'energia solare e quindi può offrire ancora
una tensione di lavoro positiva e di intensità pressoché identica a quando e' pienamente irraggiato
(e' la corrente in grado di fornire che diminuisce proporzionalmente all'irraggiamento)

 

Se abbiamo due moduli fotovoltaici perfettamente uguali, uno posto in pieno sole e l'altro ombreggiato, possiamo dire che il primo e' equiparabile ad una batteria tipo torcia da 1,5 Volt e l'altro ad una ministilo...... quindi entrambi hanno ai loro capi una tensione uguale di 1,5 Volt ma la loro capacita di corrente e' fortemente diversa.

Questo e' spiegabile dalla relazione V/I tipica della cella fotovoltaica e l'articolo linkato tratta meglio questo argomento.

Per capire bene quale potrebbe essere il comportamento elettrico di una serie di moduli fotovoltaici dove uno e' posto in ombra, si può seguire un ipotetico esperimento considerando delle batterie al posto dei moduli.

Supponiamo di avere 10 batterie Torcia che se non sbaglio vengono chiamate tipo D, poste tutte in serie; avremmo una tensione di 15 Volt . ( moduli in pieno sole )

Ai morsetti applichiamo un carico lineare e fisso ( una resistenza ) da 7,5 Ohm; scorrerà una corrente di 2 A ( 15/7,5 = 2 ).

In questo caso, che chiamiamo caso 1, l'energia utile sul carico sarà di :

Wr1= ( V * I ) = 30 Watt

Fin qui non ci piove... e' legge di Ohm :D .

 

Ora pensiamo di togliere dalla serie una batteria e di sostituirla con una ministilo....... se non sbaglio si chiamano tipo AAA ( essa ci rappresenta un modulo in ombra ) .

Applicando lo stesso carico lineare di 7,5 ohm, non potrà circolare la corrente di 2 A perche' la ministilo non' è in grado di erogarla...; cosa succede allora ?

Succede che la tensione in uscita scenderà al valore per cui la corrente che circolerà nella resistenza sarà sostenibile dalla batteria AAA e la tensione ai capi delle singole batterie non sarà uguale; in particolare ogni batteria tipo D avrà ancora ai suoi capi una tensione di 1,5 volt, MENTRE la ministilo si sobbarcherà tutto il differenziale mancante..

Questo farà si che la tensione ai suoi capi dipenderà dalla sua capacita' di corrente e potrebbe annullarsi o anche invertire la polarità.... in questo caso la ministilo diventerebbe un carico....

 

Riferendo all'esperimento precedente facciamo quest'esempio :

Supponiamo la corrente di corto circuito di una batteria AAA = 0,5 A

La tensione ai capi della Resistenza di carico sarà 7,5 * 0,5 = 3.75 Volt
La potenza in questo secondo caso :

Wr2= ( V * I ) = 1,87 Watt

La somma delle tensioni ai capi delle batterie tipo D = 9 * 1,5 = 13,5 VOLT

La tensione ai capi della batteria AAA = 3,15 - 13,5 =  -9,75 VOLT.

 

- 9,75 VOLT significa che la batteria ministilo sta' consumando energia e non fornendola... questo la portera' ad una distruzione precoce dovuta all'aumento di temperatura per effetto joule.

In queste condizioni la tensione applicata ai capi della batteria e' inversa ( il polo positivo e' più negativo del polo negativo ) e la corrente circolante sarà superiore a quella massima di corto circuito.
( nell'esempio per semplicità si e' considerata circolante la corrente di CC.)

 

E' chiaro che se mettessimo un diodo correttamente polarizzato ( diodo di bypass ) ai capi della batteria AAA, potremmo evitare che la tensione ai suoi capi si inverta, a tutto vantaggio della tensione in uscita e della potenza resa dal sistema; infatti con un diodo di Bypass la tensione in uscita diventerebbe : ( consierando 0,7 Volt come caduta sulla giunzione del diodo )

 

9 * 1,5 - 0,7 = 12,8 Volt

 

e la potenza in questo terzo caso :

Wr3= ( V * I ) = (12,8 * 2) = 25,6 Watt .

 

Possiamo quindi dire che la potenza massima che potremmo far dissipare al nostro carico e' pari a 1,87 Watt ma se abbiamo l'accortezza di mettere un diodo di bypass sulla batteria tipo AAA la potenza sale a 25,6 Watt.

 

Possiamo considerare un altro caso particolare e cioe' calcolare di quanto sarebbe la potenza assorbita dal carico se considerassimo il punto di lavoro massimo possibile per permettere anche alla batteria ministilo di non assorbire energia, ma di cederla.

.. Dato che la massima corrente di corto circuito della batteria piccola e' di soli 0,5 A il calcolo e' semplice perchè basta determinare il valore di resistenza ( carico ) necessario a far scorrere gli 0,5 A massimi fornibili dalla ministilo considerando il contributo di tensione delle sole 9 batterie torcia : ( questo perchè la tensione ai capi della batteria ministilo, quando scorre una corrente di 0,5 A, e' zero )

Wr4 = 1,5 * 9 * 0,5 = 6,75 Watt.

 

I "casi" in questo esperimento che a noi interessano, perché in qualche modo spiegano quello che succede in una stringa di pannelli fotovoltaici quando una parte va in ombra, sono quest'ultimo Wr4 e il punto Wr3.

Il caso Wr1 e' riferibile ad una stringa senza ombreggiamenti ( quindi di scarso interesse in questo articolo ), mentre il caso Wr2 si riferisce ad un'ipotetica stringa di pannelli SENZA diodi di bypass ( quindi non replicabile nella realtà perché non esistono pannelli senza diodi di bypass. )

 

Riassumendo il punto Wr3 spiega quanto può essere la potenza sul carico se ai capi della batteria ministilo poniamo un diodo di Bypass, ( 25,6 Watt ) mentre il punto Wr4 indica il valore massimo della potenza se il circuito si stabilizza ad un valore di carico sostenibile dalla batteria ministilo ( 6,75Watt ).

.. Ma a cosa corrispondono i punti Wr3 e Wr4 se consideriamo le batterie torcia come dei moduli FV posti in pieno sole e la batteria ministilo ad un modulo all'ombra ?

Corrispondono rispettivamente alla potenza massima producibile da una stringa di pannelli fotovoltaici quando il pannello in ombra e' bypassato dal proprio diodo e quando invece il suo contributo va ad influire su quello di tutti gli altri. ( Wr3 Wr4 )

Bella scoperta... e' chiaramente meglio che in questi casi intervenga il diodo di bypass, cosa auspicata e conosciuta da tutti, tuttavia l'esperimento vuole dimostrare che questi 2 differenti punti sono imposti dal carico e NON avvengono in modo naturale e dato che il carico di un impianto FV e' rappresentato e determinato dal suo inverter, e' il comportamento di quest'ultimo che determina il larga misura cosa succede all'impianto in presenza di ombre.

In pratica e' l'inverter che deve cercare un punto, nel campo di lavoro del suo circuito di ingresso, dove verificare l'impennata della corrente circolante e l'aumento repentino della potenza prodotta, a seguito dell'intervento del diodo di bypass posto sul modulo ombreggiato.

GLi inverter grid hanno un circuito in ingresso che cerca sempre il punto di massima potenza cioe' il punto dove il prodotto tra la tensione di ingresso e la corrente circolante, determina il valore massimo di potenza... purtroppo pero' anche il valore di potenza Wr4 ( 6,75 Watt ) e' un punto posto su di una cresta di potenza ( Mppt ) e quindi l'inverter potrebbe rimanere agganciato a tale valore ritenendolo erroneamente quello corrispondente alla massima potenza.

Il ruolo fondamentale dell'inverter nell'individuazione delle ombre.

SI si traccia un grafico Potenza Vs. tensione di una stringa di pannelli FV, dove i moduli sono posti in serie, si nota ( Figura a destra ) che finché non ci sono ombre esiste un solo punto sul tracciato che corrisponde alla massima potenza ( linea azzurra ).

Tuttavia se incorre un'ombra su 1 o parte dei moduli, compaiono 2 punti corrispondenti ad altrettante creste di potenza, dove quella indicata con Lmppt ( Local Mptt ) corrisponde alla potenza massima producibile dalla stringa alla massima corrente di lavoro permessa dalla parte ombreggiata, mentre l'altra indicata con GMppt ( Global Mppt ), corrisponde alla potenza massima permessa dalla stringa con i diodi di bypass in conduzione sui moduli in ombra. ( linea rossa ).

Se si guarda il grafico si nota che le tensioni  di lavoro nei due punti ( LMppt e Gmptt ) di ciascuna curva, sono molto diverse e la potenza piu' alta e' quella producibile con tensione piu' bassa ( si abbassa il voltaggio perché il contributo in tensione dei pannelli ombreggiati si elimina a seguito dell'intervento dei diodi di blocco ).

Se un inverter insegue SEMPLICEMENTE il punto di MPTT non ha ragione di uscire dal suo local MPTT e quindi è probabile che non troverà mai la zona di conduzione dei diodi di bypass.

 

 

 

 

 

Nuovo algoritmo anti-ombra di SMA

Sula rivista "Sun Wind Energy" del 12/2009 dove c'e' un articolo dal titolo "Peak performance and... little secret" dove viene descritto come la SMA e' riuscita a studiare un diverso approccio software alla regolazione MPP che permetta l'individuazione sicura delle ombre e lo spostamento conseguente del punto di carico verso il valore che permette la conduzione dei diodi di bypass dei moduli ombreggiati.

Nell' articolo si precisa che con questo nuovo algoritmo, chiamato OptiTrac Global Peak, viene ridotta allo 0,02% la ricerca inutile di eventuali secondi MPPT .
(ricerca che richiede lo spostamento del punto di lavoro dell'inverter e quindi deleteria, in senso energetico, se non necessaria. )

Infatti se un inverter si mette a cercare un GMPP quando non c'è , perde energia; tuttavia per mandare in conduzione i diodi di bypass occorre necessariamente che l'inverter vada a cercarsi un punto di MPTT al di fuori di quello in cui sta' lavorando e questo può essere determinato solo dal grado di intelligenza dell'algoritmo.

E' chiaro quindi che l'abilita' e il metodo di ricercare moduli ombreggiati, e' una prerogativa proprio dell'inverter.
Ogni produttore ha i suoi algoritmi ed e' impossibile determinare il comportamento di un sistema ombreggiato in modo indipendente da questi.

Gli ottimizzatori di potenza.

La soluzione di ridurre la mancata produzione di energia  determinata delle ombre  e operata facendo intervenire i diodi di bypass,  è molto interessante, tuttavia non  priva di difetti.

Infatti le celle e i moduli fotovoltaici ombreggiati possono teoricamente produrre ancora una certa quantità di energia per effetto della radiazione diffusa presente ancora nelle ombre.... ma tale quota viene persa se un modulo o una sua sottosezione, venisse esclusa dal diodo di bypass.

 

Recentemente sono apparsi sul mercato una serie di nuovi prodotti chiamati "ottimizzatori di potenza"  che hanno dalla loro la possibilità di permettere ad ogni modulo FV, di lavorare con un proprio MPPT personale.

L'Mppt personale è un convertitore CC CC da applicarsi tra i morsetti di uscita del modulo e  la serie della stringa, in modo da permetterne il disaccoppiamento elettrico.

Il circuito interno, dotato di microprocessore, permette al modulo FV di lavorare con una coppia  di tensione/corrente diversa da quella della stringa e sempre ottimizzata al fine di estrarne il massimo dell'energia possibile.

In questo modo ogni pannello opera in modo ottimizzato e il suo comportamento non puo influire quello degli altri.

 

Puo essere  utile in alcuni casi utilizzare questi ottimizzatori di potenza, magari in modo limitato ai soli moduli soggetti a problemi di ombre, in modo da ridurre i costi;  tuttavia occorre precisare che questi dispositivi hanno un rendimento molto alto ma naturalmente non uguale al 100%.

Questo determina che occorre ponderare bene il maggior beneficio determinato da una migliore gestione delle ombre, con la leggera diminuzione di potenza dovuta alla perdita introdotta dell'apparecchio ( che va a sottrarsi all'ulteriore perdita dell'inverter ).

E' probabile che se il beneficio determinato dall'adozione degli ottimizzatori di potenza è limitato nel tempo, ( per esempio nella soluzione di ombre  che incorrano solo in brevi periodi dell'inverno ) è  meglio risolvere affidandosi al MPPT dell'inverter utilizzando soluzioni tipo  SMA.

 

La forte riduzione dei costi dei pannelli fotovoltaici stà rendondo competitiva l'installazione in zone prima ritenute poco favorevoli per via delle ombre, è quindi probabile che in un prossimo futuro la questione  verrà affrontata meglio da tutti i produttori di inverter e è molto probabile che assisteremo ad una esplosione di nuove soluzioni tecniche.

 

Fabrizio Cattaneo

 

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