Di Jeremy Cook
La raccolta dell'energia solare "dal nulla" un tempo sembrava futuristico quanto lo era il volo umano nei secoli precedenti. Oggi, l'energia solare è una tecnologia di uso comune, ma esiste ancora il potenziale per un'enorme crescita in termini di efficienza e utilizzo.
Una tecnologia dei materiali pronta a trasformare la gestione dell'energia solare è il carburo di silicio (SiC). I produttori di dispositivi a energia solare utilizzano questo materiale meraviglioso per costruire sistemi di inverter solari, robusti e altamente efficienti che trasformano l'energia CC proveniente dalle celle fotovoltaiche (PV) in energia CA per uso domestico e aziendale. Esistono tre principali architetture di inverter: microinverter fotovoltaico, inverter di stringa fotovoltaico e inverter centrale fotovoltaico.
In questo articolo si esamineranno queste architetture e il modo in cui il SiC si inserisce in questo quadro.
Tecnologia del carburo di silicio: una lunga storia, nuova al giorno d'oggi
Gli scienziati hanno sintetizzato per la prima volta il SiC nel 1891. Il SiC è presente in natura, sebbene sia raro sulla Terra. Il SiC è stato inizialmente utilizzato come abrasivo e impiegato in diverse applicazioni strutturali ed elettriche. Oggi viene utilizzato come materiale semiconduttore all'avanguardia, con proprietà che superano di gran lunga le tradizionali controparti in silicio.
La sfida con il SiC è che, sebbene sia stato sintetizzato più di un secolo fa, renderlo sufficientemente puro per essere utilizzato come semiconduttore è ancora molto difficile. A differenza della produzione di silicio (Si) di tipo transistor (che può essere trasformato dallo stato liquido in un cristallo da tagliare), la crescita dei cristalli di SiC comporta un processo di sublimazione/deposizione in cui il gas viene trasformato direttamente in un solido.
La produzione di transistor SiC è quindi più complicata (e costosa) rispetto alla produzione di dispositivi Si. Tuttavia, le proprietà migliorate del SiC fanno sì che questo costo non sia sempre un confronto equivalente. Il SiC ha un'ampia banda proibita, il che significa che i transistor realizzati in SiC possono funzionare a intervalli di tensione, temperatura e frequenza più elevati rispetto ai dispositivi Si.
Il SiC è anche un conduttore termico superiore al Si ed è molto migliore nel condurre elettricità a temperature più elevate. Uno degli usi più importanti del carburo di silicio è nei sistemi di inverter solari.
In che modo i sistemi di inverter solari utilizzano il SiC
L'utilizzo del SiC per gli inverter solari presenta un'ampia gamma di vantaggi, tra cui:
- Maggiore efficienza
- Volume e peso generale del sistema ridotti
- Migliore gestione termica
- Maggiore affidabilità
Poiché i dispositivi SiC conducono e sopportano il calore meglio del Si, in genere i costi di progettazione e dei componenti per il raffreddamento nell'implementazione complessiva dell'inverter sono inferiori. Gli inverter possono anche essere più piccoli, il che significa minori costi dei materiali. Se si aggiungono gli altri vantaggi in termini di prestazioni sopra descritti, oltre all'idea che i costi di produzione del SiC probabilmente diminuiranno con lo sviluppo futuro, la proposta di valore per il SiC sembra molto interessante.
Una volta prodotto, l'inverter solare (o una serie di inverter) deve essere installato in un sistema fotovoltaico (PV) per poterlo utilizzare. Gli installatori solari hanno tre metodi/topologie principali per configurare il sistema.
Le tre topologie comuni di inverter solari fotovoltaici
Un inverter, che inverte l'alimentazione CC in alimentazione CA, è una tecnologia di uso generale. Si potrebbe sostenere che un inverter solare viene utilizzato per convertire l'energia CC da un array fotovoltaico in energia CA. Esistono tre tipi principali di topologia di inverter fotovoltaici: microinverter, inverter di stringa e inverter centrale. Ognuno è adatto a situazioni e scale diverse.
Guida all'applicazione di inverter solari
Microinverter
Sarebbe più preciso usare il plurale in questo caso, poiché una serie di piccoli (micro)inverter trasformano l'energia CC proveniente dai pannelli solari in CA per alimentare una casa o un'altra piccola struttura. Ciascuna sezione solare produce tra 40 e 80 V CC, con un'uscita tipica di 110 o 230 V CA.
Sarebbe più preciso usare il plurale in questo caso, poiché una serie di piccoli (micro)inverter trasformano l'energia CC proveniente dai pannelli solari in CA per alimentare una casa o un'altra piccola struttura. Ciascuna sezione solare produce tra 40 e 80 V CC, con un'uscita tipica di 110 o 230 V CA.
Queste configurazioni sono molto flessibili, con un intervallo di potenza generale compreso tra 200 W e 1,5 kW e un'efficienza moderata di circa il 96%. La riduzione delle dimensioni consentita dalla tecnologia SiC è particolarmente interessante in questo scenario poiché in genere è necessario trasportare e integrare più inverter nei pannelli. Tuttavia, i microinverter sono anche il tipo più costoso di sistema di inverter solari.
Inverter di stringa
I pannelli solari si collegano insieme (in una stringa), inviando la potenza CC generale a un solo inverter. Questa topologia è adatta per gamme di potenza da 1 kW a 200 kW, alimentando qualsiasi cosa, da una singola casa a edifici e complessi industriali. Le tensioni in entrata possono arrivare fino a 1.500 V CC, con un'uscita trifasica fino a 800 V CA. Questa topologia è flessibile ed efficiente fino al 98,5%. Le capacità di gestione della tensione più elevata del SiC sono ideali in questo caso.
Il produttore di SiC Infineon ha creato un progetto di riferimento per un inverter di stringa fotovoltaico da 1500 V che utilizza la tecnologia MOSFET SiC a punto neutro attivo fisso (ANPC) e funziona a 48 kHz. In termini di costo per kW, questo progetto è dal 5 al 10% meno costoso rispetto a un sistema paragonabile che utilizza solo la tecnologia IGBT a 16 kHz. Sebbene gli interruttori e i driver di semiconduttori che utilizzano la tecnologia SiC in un progetto di questo tipo richiedano un prezzo più alto rispetto alle loro controparti solo IGBT, consentono risparmi significativi sui componenti magnetici che possono compensare la massima differenza.
Perdite potenzialmente inferiori e prestazioni migliorate nelle applicazioni con inverter rendono un sistema basato su SiC ancora più interessante a lungo termine. Se si aggiungono più conversioni in una configurazione di soluzione di accumulo dell'energia (ESS), l'argomentazione a favore dell'utilizzo della tecnologia SiC aggiornata non fa che rafforzarsi. Sebbene quanto sopra descritto riguardi l'implementazione di un inverter di stringa fotovoltaico, altre topologie vedranno vantaggi simili dalle funzionalità SiC.
Inverter centrale
Più stringhe di pannelli solari alimentano un inverter centrale. Tali topologie sono adatte per operatori a livello di rete e possono produrre oltre 1.000 kW (ovvero oltre un gigawatt) di potenza. Le tensioni in entrata possono arrivare fino a 1.500 V CC, con un'uscita trifasica fino a 690 V CA. Questa tecnologia è la meno scalabile delle tre topologie, ma offre la massima efficienza (fino al 99%). Le maggiori capacità di tensione del SiC sono interessanti in questo scenario. Un inverter centrale consente l'applicazione su vasta scala delle proprietà ad alta efficienza del SiC. In termini di kW, gli inverter centrali sono il tipo di sistema di inverter solari meno costoso.
Vantaggi del SiC per la produzione di energia solare
Sebbene alcune caratteristiche del SiC in determinati scenari siano più interessanti, tutti i vantaggi del SiC verranno applicati a ciascuna topologia elencata. Il rapporto costi/benefici diventerà ancora più interessante con lo sviluppo della tecnologia. Aziende come Infineon, Microchip, Onsemi, STMicroelectronics e Wolfspeed continuano a portare avanti la tecnologia SiC e possiamo aspettarci che il SiC migliori l'efficienza energetica, non solo nel settore solare.
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