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L'obbiettivo di questo studio è stato quello di realizzare un dispositivo elettronico utile a tutti coloro che per motivi didattici o per motivi di lavoro hanno bisogno di mettere a confronto tecnologie o processi costruttivi differenti e vogliono verificare il corretto funzionamento di uno o più moduli fotovoltaici simultaneamente attraverso il tracciamento delle rispettive caratteristiche I-V e P-V. Il dispositivo realizzato può essere impiegato per comparare moduli costruiti con identiche tecnologie ma da ditte differenti oppure per raggruppare per fasce di prestazione moduli nominalmente identici ma che in pratica sono caratterizzati da proprietà elettriche differenti. Infatti, i progettisti di impianti fotovoltaici sanno che se all'interno di una stringa composta da moduli nominalmente identici è presente anche un solo modulo guasto o avente caratteristiche peggiori rispetto agli altri, ci sarà un decadimento del rendimento complessivo dell'intero impianto che determinerà un abbattimento dell'energia prodotta. Da questa consapevolezza nasce l'esigenza di testare e raggruppare i moduli per fasce di prestazione prima di eseguire la loro installazione.
Il cuore del dispositivo è costituito da un microcontrollore CMOS a 8 bit prodotto dalla Atmel siglato Atmega16. Attraverso l'analisi dei valori di tensione e corrente rilevati e trasformati in segnali numerici dal convertitore A/D interno al microcontrollore, un segnale PWM pilota la base di 6 transistor Darlington di potenza connessi tra loro in parallelo sui cui terminali di emettitore sono saldate altrettante resistenza costituenti il carico dinamico, al fine di adattarne l'impedenza e permettere al punto di lavoro del modulo di posizionarsi in corrispondenza del punto della caratteristica P-V in cui è massima la potenza istantanea generata.
Esistono diversi metodi che consentono di rintracciare il punto della caratteristica in cui viene generata la massima potenza, tra questi troviamo l'algoritmo conosciuto con il nome di “Perturba e osserva” implementato all'interno del nostro microcontrollore. In base a letture consecutive di tensione e di potenza, il microcontrollore agisce sul punto di lavoro attraverso piccole variazioni (appunto “perturbazioni”) del duty cycle del segnale di pilotaggio del carico dinamico su cui si scarica tutta la potenza generata dal modulo. Una volta individuato l'MPP (maximun power point- punto di massima potenza) il sistema continua ad oscillare intorno ad esso fino a quando interviene una variazione nelle condizioni di irraggiamento.
Si è deciso utilizzare questo metodo per la relativa facilità di implementazione e per l'esigua richiesta di risorse hardware che in ogni modo non impediscono di ottenere discreti risultati in termini di velocità e precisione.
Ad una prima fase di studio della tecnologia fotovoltaica e di analisi dei principali algoritmi per la ricerca del punto di massima potenza è seguita una seconda fase di progetto e realizzazione del dispositivo.
Dopo aver progettato lo schema elettrico secondo le specifiche desiderate, si è passati alla scelta dei componenti. Si è passati poi al disegno ed infine alla realizzazione del circuito stampato (PCB) per mezzo del software Layaut Plus contenuto all'interno del pacchetto Orcad.
La programmazione del microcontrollore è stata eseguita in assembler in ambiente di sviluppo AVRstudio4 fornito gratuitamente da Atmel per sfruttare in maniera più efficiente le risorse hardware che questo dispositivo ci mette a disposizione.
Dopo ripetute fasi di miglioramento supportate da continue sperimentazioni pratiche si è giunti alla scrittura della versione definitiva del firmware.
Per la visualizzazione delle informazioni ricercate e per la rappresentazione delle caratteristiche P-V e V-I dei moduli fotovoltaici si è sviluppato un applicativo da far girare in Labview, software realizzato da National Instruments che ci consente di generare delle vere e proprie apparecchiature virtuali complete di manopole, strumentini e display grafici utili all'inserimento dei parametri e alla visualizzazione dei risultati.