Helios??antica suggestiva parola di origini greche?quale misterioso potere incorpora in essa?
Beh, sapete tutti che nell?antichit? il sole era considerato un dio. Quale maggior potenza si pu? immaginare?
Il sole da sempre genera sulle persone un immenso fascino, per tanti motivi. Per quanto mi riguarda ovviamente anche io in merito ho la mia opinione e varia a seconda della prospettiva nella quale metti il sole stesso. Dal punto di vista prettamente astronomico, il sole ? una semplice stella di media grandezza, nella volta celeste, ve ne sono di ben pi? interessanti come le giganti azzurre, le binarie, le novae ecc?.
Dal punto di vista strettamente terrestre, ovviamente avere invece una stella di media grandezza, ? una grande fortuna, senza di essa, difficilmente la vita sul nostro pianeta si sarebbe potuta evolvere allo stadio attuale. E questo perch? da almeno 4 miliardi di anni, il sole stabilmente rovescia sul nostro pianeta (e non solo, noi ne riceviamo una parte molto frazionale) un torrente continuo e piuttosto costante di energia sotto forma di luce e radiazioni. Nel corso dei millenni, a sfruttare direttamente questa enorme quantit? di energia, ha pensato la natura stessa, cio? il solo pianeta. L?uomo, ha unicamente goduto bei benefici derivanti da essa. Solo da poco tempo grazie all?evoluzione tecnologica, siamo in grado di estrarre energia elettrica direttamente dal sole. Ovviamente parlo di estrazione diretta, in quanto gi? in altri modi indiretti sfruttavamo l?energia del sole.
Questa cosa ? diventata possibile grazie ad un principio fisico scoperto circa due secoli f?, esattamente nel 1839, da Alexandre Edmond Becquerel, ma divenuta realt? solamente grazie alla ricerca spaziale, ovvero con l?invenzione della cella fotovoltaica.
Da tempo mi affascinava l?idea di mettere mano al fotovoltaico per produrre un p? di energia.
Non che creda che il fotovoltaico possa risolvere i problemi di copertura energetica del pianeta.
Non me ne vogliano gli ambientalisti, ma sono convinto che l?attuale e futura richiesta energetica necessaria all?industrializzazione e alla nostra civilt?, sia sopperibile da ben altro che il fotovoltaico. L?unica strada percorribile a mio avviso, ? quella della fusione nucleare. D?altra parte, la natura stessa insegna. Il processo fisico che ci fornisce vita e calore a partire dal centro stesso del sole, ?, e resta comunque, una fusione nucleare. E se per arrivare alla fusione, dobbiamo passare per la fissione, cos? sia. In fin dei conti, coloro i quali non hanno mai voluto le centrali in italia, si sono mai chiesti se le radiazioni si fanno problemi di frontiera? Dato che subito oltre i confini del monte bianco, sul versante francese, ci sono ben tre centrali nucleari. Noi non le abbiamo sul nostro territorio grazie al voto del referendum degli anni 80, ma comunque, importiamo elettricit? dalla francia prodotta da centrali nucleari.
Dato che ovviamente non posso costruirmi una centrale nucleare, ho quindi ripiegato sul fotovoltaico. Oddio, vi garantisco, che ? comunque un ripiego costoso. Nonostante tutto lo sviluppo di questi ultimi decenni, le celle fotovoltaiche hanno ancora costi decisamente alti checc? se ne dica. Fatta tutta questa lunga premessa introduttiva, veniamo al punto.
Come sfruttare al meglio questo fotovoltaico nel mio caso?
Beh, l?idea iniziale era quella di progettare un semplice carica batteria che fornisse energia ad un ponte solare WiFi, il ponte che forse dovr? fare in montagna con un link di 26Km.
Dato che il ponte verr? piazzato in cima ad un monte, non c?? possibilit? di alimentarlo con la rete enel, conseguentemente, il fotovoltaico ? l?alternativa pi? immediata.
Diciamo che la fase di gestazione ? durata abbastanza, anche perch? nel frattempo molte idee si sono fatte strada, e al momento, solo una prima parte del progetto ? completata.
Dall?idea iniziale, ho poi deviato abbastanza, anche se ho tenuto aperto il progetto anche a quel tipo di impiego. Anzi, la seconda implementazione, verter? principalmente su quello.
Dovendo acquistare i pannelli, mi sono posto il problema di come usarli, dato che il ponte ancora non si fa, non mi andava di spendere per sviluppare un progetto e poi non trarne nulla, solo uno studio che si sarebbe concretizzato chiss? quando.
Ho cos? pensato a come sfruttare i pannelli in maniera un p? pi? contingente, visto anche le salatissime bollette che mi arrivano dal gestore d?energia.
Serate e serate passare su internet a controllare potenze, costi, rendimenti, materiali?.azzzzzzz!!!!! Quant?? complicato!!
Se avessi avuto una disponibilit? adeguata, avrei sicuramente optato per un impianto almeno da 1 KWp, interfacciabile alla rete enel, con decisi vantaggi economici. Purtroppo il costo di un impianto del genere, ? comunque decisamente alto, ci vogliono dai 4000, ai 5000? .
E 1 KWp, non ? che sia poi tutta ?sta potenza se pensate a cosa avete in casa e a quanto consuma.
Deciso il budget, al massimo un paio di migliaia di euro, mi sono chiesto come poter poi produrre energia risparmiando sulla bolletta energetica con quel p? di energia che potevo produrre con i miei pannelli. Innanzi tutto, la scelta ? caduta su un paio di pannelli da 150Wp della Helios e gi? quelli si sono portati via subito i ? del budget!!
Ora il problema era come produrre energia utilizzabile al posto della rete elettrica. L?ideale sarebbe un inverter di quelli che si mettono in fase con la rete enel, ma per 300Wp l?enel non mi considera nemmeno. Quindi pensare di acquistare un inverter del genere, al momento ? completamente impensabile. Perci? che soluzione restava? Un inverter casalingo?.. magari quello che avevo acquistato in fiera e fumato durante i test condotti del link da 26Km?
Si , si poteva anche fare, ma c?era un piccolo problema ?.come interfacciarlo con la rete enel in un sistema no-break? Non si poteva, non in maniera semplice.
Che altra soluzione potevo adottare? Beh, alla fine il sistema l?ho trovato, spendendo anche decisamente poco. Un UPS.
In fin dei conti ? esattamente il lavoro di un USP, fornire corrente no-break al PC, solitamente da rete enel, e all?occorrenza da batteria. Io ho solo invertito le percentuali d?uso
.
Scelto in fiera un APC 650 in grado di fornirmi 400W reali in uscita, fatte due prove sulla fattibilit? della cosa, mi sono messo testa bassa a progettare.
La soluzione ideale per sfruttare al massimo i pannelli, sarebbe quella di utilizzare uno switching ad alto rendimento, superiore al 90% (per ridurre al minimo le perdite di energia), che mi riduca la tensione generata dai pannelli a 13-14V, ma in grado di supportare le elevate correnti generate dagli stessi, con queste poi alimentare l?UPS.
Inoltre, parte di questa corrente, dovrebbe alimentare un carica-batteria che si occupi solo di caricare e tenere carica finch? possibile, la batteria.
Batteria che dovrebbe intervenire solo ed esclusivamente nell?alimentazione dell?UPS, quando questi richieda correnti superiori a quelle che sono in grado di fornire i pannelli, oppure alla sera, quando i pannelli cessano di fornire energia. Questo sarebbe un uso pi? corretto ed un funzionamento migliore per sfruttare al massimo dal primo all?ultimo minuto l?energia fornita dai pannelli, senza staccarli mai.
Purtroppo questo richiede una circuitazione complessa e di elevata potenza in campo switching.
La mia esperienza in campo switching ? limitata, quindi ho dovuto ripiegare su uno schema pi? classico ed ampliamente usato, il carica batterie che praticamente utilizza la batteria stessa come livellatore di tensione. In questo caso per?, si perde una certa percentuale di energia prodotta dai pannelli, ad esempio quando si staccano i pannelli per il raggiungimento di batteria carica. In quel momento, l?energia dei pannelli va totalmente sprecata, inoltre la batteria sopporta uno stress decisamente maggiore di quanto dovrebbe sopportare se nell?altra ipotesi, essa fosse durante il giorno sottoposta solo alla carica, e durante la notte alla scarica.
Partito quindi con il progetto del semplice carica batteria , da semplice carica batteria, mano a mano ? diventato un circuito decisamente pi? complesso, in grado di gestire oltre alla carica della batteria, anche l?UPS sulla generazione della corrente elettrica, o meglio quando andare a batteria, e quando in caso, tornare a rete elettrica.
In pratica, l?UPS si occupa tutto a modo suo (questo ? il suo lavoro, e mi ha risparmiato una bella fatica!!) di produrre la 220V e commutare da batteria a rete elettrica in maniera no-break, io controllo quando lo deve fare.
Conti alla mano, per sviluppare potenze sulla 220V di 100/200/300W, partendo dalla 12V, ne consegue un impiego di corrente decisamente elevato.
La mia estrazione, ? di elettronica digitale, dove le correnti di misurano in mA, se non in ?A.
Quando si arriva a 1-2A, sono correnti gi? elevate!! Potete quindi immaginare le difficolt? incontrate per progettare un sistema in grado di lavorare con correnti di decine di ampere.
Il primo prototipo, ha ben presto evidenziato grossi problemi di surriscaldamento e di perdite significative di potenza, in base al sistema scelto per controllare l?uscita di alimentazione verso l?UPS. Per interrompere l?alimentazione verso l?UPS, ho utilizzato dei mosfet di potenza, mettendone addirittura 3 in parallelo. Ma pur avendo una bassissima resistenza in linea, nel momento in cui ci passano sopra 25-30A questi cominciano a scaldare decisamente, e facendoci due calcoli, ad avere anche significative perdite di potenza.
Il problema pi? grosso per? mi ? derivato dai diodi che avevo posto in uscita per impedire che l?UPS mi ricaricasse la batteria quando questi funziona a rete enel. Qui a 30A, la caduta era di quasi 0,5V, che sono la bellezza di 15W! Alla fine tra la caduta sui diodi e sui mosfet, perdevo qualcosa come 0,7-0,8V, cio? oltre 20W. Inaccettabile. Per non parlare del problema del calore sviluppato dai dispositivi. Ho quindi ripensato la parte in uscita, togliendo definitivamente i diodi e ho sostituito i mosfet con 2 rel? di potenza. Dai test condotti sul secondo prototipo, a oltre 40A la caduta ora ? di soli 0,3V.
Nei test ho superato per qualche istante i 50A e non ? esploso nulla!! Anzi, il gruppo UPS mi ha segnalato un overload sul carico 220V, avevo raggiunto i 400W in uscita sulla 220V, dando in ingresso la bellezza di 600W. Il rendimento a queste potenze di un UPS, non ? certo ideale, come non ? ideale la forma d?onda che utilizza per la produzione della 220V, una sinusoide modificata. Tale onda, pu? andar bene per la maggior parte dei dispositivi, ma non per tutti. Ad esempio gli alimentatori dei PC di ultima generazione implicano il circuito di controllo della potenza o PFC, e questi si basa sulla sinusoide in ingresso, quindi soffrono fortemente la sinusoide modificata, a tal punto da essere vivamente sconsigliati pena rotture.
L?alternativa sarebbe un inverter a onda sinusoidale pura, il cui costo per? ? decisamente pi? elevato.
Il mio APC 650, si ? comunque comportato abbastanza bene nei test. Ci sono per? dei limiti, il problema principale sono i picchi di potenza indotti dall?inserimento in linea (il mio TV Sony ad esempio, 29? per un totale di 110W) dato da carichi capacitivi e induttivi, che lo fanno staccare per overload. Per quanto riguarda carichi resistivi invece nessun problema, testato fino al raggiungimento appunto dei 400W massimi che l?UPS pu? fornire.
Per poter gestire queste potenze sul circuito stampato, ho dovuto ricorrere a una soluzione specifica. Oltre a tenere le piste di collegamento decisamente ampie, ho rinforzato comunque quelle principali che portano corrente dalla batteria al carico dell?UPS con delle barre di rame saldate sulle piste stesse. Il carica batteria, mi controlla ovviamente la corrente in entrata dai pannelli, la corrente assorbita dal carico e la corrente assorbita dal circuito stesso.
Ho due modalit? di commutazione pannelli/rete elettrica, le quali implicano un uso differente della batteria, questo poi dipende anche da quanta corrente si ? in grado di generare con in pannelli, cio? se si ? in grado sostanzialmente di fare ?il giro delle 24h?.
La prima, prevede la commutazione pannelli/enel in base all?avvio della produzione di energia dei pannelli, soglia che ho impostato a 10,5V. In pratica al mattino quando i pannelli cominciano a generare energia, viene staccata la rete dall?UPS e quindi questo continua a produrre attingendo dalla batteria e dai pannelli, a seconda della generazione dei pannelli stessi, ci? significa che nelle prime ore magari il farbisogno dell?UPS non ? coperto interamente dai pannelli, in quanto appena partiti non genereranno certo una gran corrente. Poi mano a mano che il sole si alza, la produzione aumenter? fino a sopperire alle necessit? dell?UPS e ad iniziare anche la carica della batteria. Il processo inverso avverr? verso le ore del tramonto, dove dopo una certa ora il farbisogno dell?UPS superer? nuovamente la produzione dei pannelli, fino a che, ad un certo punto, quando la tensione dei pannelli scende sotto gli 10,5V, il circuito commuter? nuovamente a rete enel, risparmiando parte dell?energia accumulata nella batteria per il mattino seguente. In tutto questo, nel malaugurato caso di giornate nuvolose, in cui non si riesca a produrre abbastanza energia e si arrivi alla scarica della batteria anzitempo, il circuito non attender? la sera per commutare, ma al raggiungimento degli 11,5V di batteria commuter? per batteria in prossimit? di scarica, e l?isteresi prevista nel comparatore, far? si che non ricommuti fino a che la batteria non avr? raggiunto i 14,1V, raggiungili solo dopo un certo tempo di ricarica.
La seconda modalit?, prevede appunto la prossimit? di scarica. In questo modo la batteria viene sfruttata al massimo, quindi viene lasciata attaccata anche si sera, fino a che in fase di scarica essa non raggiunga gli 11,5V, solo a questo punto il circuito effettuer? la commutazione.
Se ovviamente si dispone di sufficienti pannelli e batterie, ci? non avverr? durante la notte, e sar? cos? completato il giro delle 24h, rendendo il circuito autonomo da rete enel.
Considerando l?utilizzo sul ponte solare WiFi, ? previsto anche uno spegnimento totale del sistema, in quanto per nessun motivo, la batteria in fase di scarica deve scendere sotto i 10,5V, pena il danneggiamento della stessa. Quindi anche staccare il carico a 11,5V di batteria, non mi salva da una continua scarica della batteria, sicuramente pi? lenta visto che deve alimentare il solo carica batteria. Per quanto poco possa assorbire (al minino, al momento, il solo circuito carca batterie assorbe 40-80mA, per ora?senza la scheda dei processori ed il resto?poi vedremo), alla fine se per un qualsiasi motivo i pannelli non possono ancora produrre, la batteria finirebbe per l?azzerarsi. Per evitare questo, a 10,5V, il circuito si stacca completamente con un autospegnimento totale, per riprendere automaticamente ed esclusivamente nel momento in cui i pannelli riprenderanno a fornire un sufficiente quantitativo d?energia.
Questa prima parte del progetto si avvicina alla fase finale dei test, le ultime modifiche apportate all?ultima realiste sembrerebbero definitive. Se non salteranno fuori altri problemi o variazioni, questa parte potrebbe avviarsi alla versione definitiva. Potendo lavorare in totale autonomia anche rispetto alla scheda a processori, gi? da mesi mi sta dando una mano ad abbassare la mia bolletta enel, helios volendo!
Ma la parte decisamente pi? interessante, viene dalla seconda parte del progetto, quella del controllo a microprocessori interfacciabile via LAN ed integrabile in WiFi.
In pratica l?idea, e che se io piazzo il mio carica batteria in un ponte solare (in quel caso ad esempio la parte riguardante la generazione della 220V pu? essere esclusa?oppure no, il circuito si presta ad entrambe le soluzioni), voglio poter sapere tutto di questo, e lo voglio poter fare da casa. Mica posso prendere su, in pieno inverno, farmi 40Km in macchina, scalare il monte e raggiungere il ponte per vedere che sta succedendo. Questo lo lasciamo ai casi di emergenza disperata.
Per fare questo, devo poter comunicare con l?elettronica del ponte, ed avere sotto controllo tutti i parametri. E quale migliore modo di farlo, dato che si tratta di un ponte WiFi se non via LAN?
Da qui l?idea di interfacciare in LAN il carica batteria, che nel progetto, pur potendo essere autonomo in hardware, ? previsto per una totale interfacciabilit? con una scheda di controllo a microprocessori.
Ovviamento detto cos? ? semplice, ma vi garantisco che la cosa ? tutt?altro che semplice.
La cosa ha passato una discreta fare di concepimento, in cui ho impiegato diverso tempo a chiarirmi le idee di come doveva poter funzionare il progetto. Non vi dico poi la fatica a coinvolgere il Pollus, lo sviluppatore dei firmware dei microprocessori?anche se una volta partiti e dopo che si ? reso conto della potenzialit? del progetto (anche in vista dell?integrazione dello stesso sul ponte solare UHF che ha in gestione in citt?, cui integreremo il WiFi) si ? lanciato lancia in resta e chi lo ferma pi???
Le funzioni, i comandi, le back-door (immaginate che l?AP si impalli,,,che fate??? Andate a resettarlo?? No, noi integreremo un ricevitore VHF/UHF e attraverso un comando in DTMF che il microprocessore interpreter?, attiveremo un rel? per resettare da remoto l?AP, tanto per farvi un esempio). Che dire poi dell?idea di inserire delle memorie per un datalogger scaricabile da PC avendo in questo modo uno storico dei dati da poter analizzare per quanto riguarda l?andamento della produzione e del consumo di energia? A questo aspetto, con lo sviluppo di un software specifico in visual basic che si occuper? del controllo remoto del ponte, sta lavorando il buon LaForge coadiuvato dal vecchio Nuvolarenz.
Insomma la faccenda ? parecchio complessa, ed per questo che siamo in quattro a seguire il progetto, io, LaForge, Nuvolarenz , Pollus, cui vanno i miei ringraziamenti.
Alcune immagini delle prime versioni e nei primi step di collaudo.
Lo schema del carica batterie lo potete vedere qui.
http://web.tiscali.it/absolute.infinity/PonteSolare/Schemi/Carica-Batteria.jpg
