Supercapacitor-Based Voltage Smoothing in a Solar PV Microgrid: An OpenModelica Simulation Study

Negli angoli silenziosi del mondo dove la rete elettrica non arriva, i pannelli solari sono spesso l'unica fonte di energia. Essi offrono un modo pulito e silenzioso per illuminare le case e far funzionare piccoli elettrodomestici, ma comportano un limite fondamentale: il sole non splende costantemente. Quando una nuvola passa sopra, la luce che colpisce i pannelli si attenua e si intensifica in pochi secondi. Questo rapido cambiamento fa sì che l'elettricità prodotta subisca picchi e cali imprevedibili. Per dispositivi sensibili come apparecchiature mediche, attrezzature per telecomunicazioni o persino semplici luci LED, questi improvvisi scossoni di potenza possono causare sfarfallii, danni o guasti. Per risolvere il problema, gli ingegneri si rivolgono spesso all'accumulo di energia, ma non tutti gli accumulatori sono uguali. Mentre le batterie pesanti sono eccellenti per trattenere l'energia per ore, si usurano rapidamente se chiamate a reagire a ogni minimo e veloce cambiamento della luce solare. Un tipo diverso di dispositivo, noto come supercondensatore, agisce più come un ammortizzatore per l'elettricità. Può assorbire o rilasciare energia quasi istantaneamente, smorzando le asperità dell'alimentazione senza la rapida degradazione che affligge le batterie tradizionali.

I ricercatori dell'Air Force Institute of Technology di Kaduna, in Nigeria, si sono posti l'obiettivo di testare quanto bene questa tecnologia di smorzamento potesse stabilizzare un sistema di energia solare in un ambiente simulato. Hanno costruito un modello virtuale di un piccolo sistema solare off-grid utilizzando un software open-source, uno strumento che permette agli scienziati di scrivere equazioni e osservare come un sistema si comporta nel tempo senza la necessità di hardware fisico. Il loro obiettivo era vedere se l'aggiunta di un singolo supercondensatore a un array solare potesse calmare le selvagge fluttuazioni causate dal passaggio delle nuvole, rendendo l'elettricità sicura e costante per l'uso quotidiano. Non si sono limitati a indovinare; hanno creato un "gemello digitale" dettagliato di un pannello solare, un carico resistivo che rappresenta una casa o un'azienda, e un tipo specifico di supercondensatore noto come Maxwell BCAP0310. Questo dispositivo, con una capacità nominale di 310 farad e 2,7 volt, è stato scelto perché è un componente comune e reale utilizzato in molte applicazioni.

Il team ha programmato la propria simulazione per imitare una realistica giornata nuvolosa. Hanno creato un modello di luce solare che saliva e scendeva con un ritmo complesso, combinando cambiamenti lenti e avvolgenti dovuti alle grandi nuvole con variazioni più rapide e nervose causate dallo scattering atmosferico. Ciò ha comportato un'uscita di potenza solare che oscillava selvaggiamente tra circa 118 watt e 250 watt in un periodo di cinque minuti. Nel primo scenario, hanno lasciato che questa energia grezza e irregolare fluisse direttamente verso il carico, rappresentando un sistema senza accumulo. Nel secondo scenario, hanno introdotto il supercondensatore. Questo dispositivo è stato collegato al sistema con una regola semplice: avrebbe agito come un buffer, assorbendo l'energia in eccesso quando il sole brillava intensamente e rilasciando l'energia immagazzinata quando il sole calava, il tutto guidato da un filtro che guardava cinque secondi nel futuro per decidere quanta energia spostare.

I risultati della simulazione sono stati chiari e misurabili. Quando il supercondensatore era attivo, l'elettricità fornita al carico diventava significativamente più stabile. I picchi più estremi di potenza, che raggiungevano quasi 69 watt di fluttuazione nel sistema non controllato, sono stati ridotti a circa 54 watt. Ciò rappresenta una riduzione di circa il 21 percento nei casi peggiori. Anche la variabilità complessiva della potenza, misurata in base a quanto essa deviava dalla media nel tempo, è diminuita di circa il 18 percento. Forse la cosa più importante per la salute dei dispositivi collegati è che la tensione ai terminali del carico è diventata più costante. La deviazione standard della tensione, una misura di quanto oscillasse la pressione elettrica, è scesa da quasi 2,0 volt a poco più di 1,6 volt, un miglioramento del 18 percento. Il supercondensatore ha fatto questo caricando e scaricando costantemente, con il suo stato di carica interna che si muoveva tra lo zero e il 69 percento, il che ha dimostrato di avere spazio sufficiente per operare efficacemente senza esaurirsi o riempirsi eccessivamente durante la simulazione.

Lo studio ha anche esaminato l'impatto fisico che questo smorzamento esercitava sul dispositivo. Mentre il supercondensatore lavorava per bilanciare la potenza, generava calore a causa della sua resistenza elettrica interna. La generazione massima di calore ha raggiunto i 12,28 watt durante i momenti di copertura nuvolosa più intensa. Sebbene questo quantitativo di calore rientri nei limiti operativi di sicurezza del componente specifico utilizzato, ha evidenziato la necessità di ulteriori studi su come il calore si propaghi attraverso il dispositivo, suggerendo che il lavoro futuro potrebbe dover combinare modelli elettrici e termici per garantire la sicurezza a lungo termine. I ricercatori hanno notato che il loro approccio era passivo, il che significa che non richiedeva loop di controllo complessi e attivi o convertitori costosi per funzionare, rendendolo una soluzione semplice e potenzialmente a basso costo per le aree rurali.

Questo lavoro dimostra che un supercondensatore può fungere da efficace buffer a breve termine per l'energia solare, smorzando le rapide fluttuazioni che tipicamente affliggono i sistemi off-grid. La simulazione ha mostrato che anche un singolo dispositivo, relativamente piccolo, può migliorare significativamente la qualità della potenza, riducendo lo stress sulle apparecchiature e rendendo l'energia solare più affidabile per le comunità che ne dipendono. I ricercatori hanno concluso che, sebbene si trattasse di una prova di concetto riuscita, il passo successivo sarebbe quello di combinare questo smorzamento a breve termine con l'accumulo di energia tramite batterie e di investigare in dettaglio il comportamento termico del dispositivo. Per ora, lo studio conferma che, in assenza di una rete elettrica tradizionale, un supercondensatore offre un modo pratico per trasformare il battito erratico del sole in un flusso di elettricità costante e utilizzabile.