Applicazioni

L’energia solare è la fonte di energia rinnovabile più pulita e abbondante disponibile. Le celle o pannelli solari fotovoltaici (PV) sono i dispositivi per convertire l'energia solare in elettricità. Lo sviluppo intensivo e la produzione su larga scala di pannelli solari sono iniziati a partire da questo nuovo millennio. La capacità globale del solare fotovoltaico ha raggiunto i 494.3 GW nel 2018 e si prevede che crescerà di oltre 1 TW tra il 2019 e il 2030 (Fonte: GlobalData Power Database). Si stima che la maggior parte della capacità aggiunta durante questo periodo provenga da Cina, India e altri paesi dell’Asia-Pacifico. Con la rapida crescita della capacità installata e il miglioramento della tecnologia, il costo medio di capitale per l’installazione del solare fotovoltaico si riduce in modo significativo, ma varia ancora ampiamente da paese a paese. La diminuzione dei costi di produzione e i programmi governativi si traducono in una diminuzione del prezzo medio del sistema solare fotovoltaico. Il costo medio globale del capitale degli impianti solari fotovoltaici è stato di 4,162 dollari/kilowatt (KW) nel 2010, riducendosi a 1,240 dollari/kW nel 2018, e si stima che diminuirà ulteriormente sulla base delle stime dei costi in diversi paesi e raggiungerà i 997 dollari entro il 2030. La figura seguente mostra l’andamento medio dei prezzi di sistema del solare fotovoltaico globale e dei primi cinque paesi del solare fotovoltaico tra il 2010 e il 2018.

Mercato del solare fotovoltaico, globale, costo medio dei paesi chiave e globale ($/KW), 2010–2018 (Fonte: GlobalData)

Per mantenere la competitività, i produttori di sistemi fotovoltaici ed elettrici sono alla continua ricerca di nuove tecnologie. L'efficienza di conversione della potenza, il peso/dimensione dell'inverter e il costo dei materiali sono tutti aspetti su cui un progetto deve tenere conto. I livelli di potenza e tensione del convertitore solare variano in base alle applicazioni. Le applicazioni residenziali sono per lo più inferiori a 10 kW, mentre quelle commerciali variano comunemente tra 10 kW e 70 kW. Le centrali elettriche su scala industriale sono superiori a 70 kW. Attualmente la maggior parte delle centrali elettriche utilizza ancora una tensione bus massima di 1000 V, ma i grandi parchi solari sviluppati più recentemente hanno iniziato ad aumentare la tensione FV da 1500 V a 1000 V. Una tensione più elevata può ridurre le perdite nei semiconduttori e nel rame e migliorare ulteriormente l’efficienza del sistema di alimentazione. Per la tensione del bus a 1500 V, le topologie boost a 3 livelli e inverter diventano l'unica soluzione valida con dispositivi di commutazione a 1200 V.

I diodi SiC sono stati ampiamente utilizzati nella progettazione di convertitori boost fotovoltaici e i MOSFET SiC sono stati utilizzati nello sviluppo di molti inverter ad alte prestazioni. Di seguito sono riportati due esempi di topologia utilizzata nella progettazione di inverter fotovoltaici.

Inverter da 60 kW con soluzione MOSFET SiC TO-247

Inverter da 1500 V 150 kW con MOSFET SiC TO-247 e soluzione modulo SiC IV1E IVCT ha sviluppato un convertitore boost interleaved da 20 kW per dimostrare le prestazioni del diodo SiC e del MOSFET. Il convertitore utilizza quattro MOSFTE IV80Q1200T1 da 12080 mOhm 4 V e quattro diodi IV10D1200T1 da 12010 A 3 V. A 65kHz, il convertitore raggiunge un'efficienza del 99.4% con ingresso 600V e uscita 800V. I MOSFET sono pilotati dal driver MOSFET SiC IVCR1401. Le forme d'onda sottostanti mostrano i fronti di salita e di discesa di Vds puliti.