La produzione di energia dalla tecnologia fotovoltaica sta diventando sempre più rilevante. Pertanto, è essenziale che il mondo accademico focalizzi l’attenzione su questo argomento al fine di insegnare e trasmettere correttamente conoscenze, abilità e abilità. Questi sono molto utili nelle attività lavorative. Nei nostri corsi accedemici si propone di spiegare meglio gli aspetti teorici mediante attività pratiche che richiedono la realizzazione di laboratori innovativi per l’apprendimento.

Parole chiave – istruzione;  e-learning; didattica innovativa; pratiche di laboratorio.  

I. Introduzione 

Il corsi relativi alla generazione fotovoltaica “Photovoltaic Power Generation” (PPG) forniscono agli studenti le conoscenze relative alla risorsa solare e ai generatori fotovoltaici, compresa l’elettronica di potenza. Gli studenti acquisiscono le competenze per stimare la fonte solare e calcolare le prestazioni istantanee e medie dei componenti principali, e infine la produttività energetica degli impianti fotovoltaici (PV). Le competenze sono la progettazione, in modo corretto, dei principali componenti degli impianti fotovoltaici e l’analisi energetica del loro funzionamento. Per raggiungere questi obiettivi, il corso è erogato combinando lezioni teoriche con esercitazioni pratiche e laboratori innovativi [1], che migliorano l’apprendimento attivo delle conoscenze teoriche [2]. 

Gli obiettivi principali delle pratiche di laboratorio sono due. In primo luogo, lo studente acquisirà esperienza pratica sul funzionamento di generatori fotovoltaici, dispositivi elettronici e componenti (ad esempio transistor e convertitori AC / DC). In secondo luogo, gli studenti saranno introdotti alla conoscenza pratica dei dispositivi utilizzati per misurare tensione e corrente. Infatti, gli studenti iscritti ai corsi di ingegneria industriale non sempre hanno competenze relative alle misure elettriche.  

Gli studenti impareranno così a gestire tre tipi di strumenti di misura, partendo dai più semplici ai più complessi: multimetri digitali, oscilloscopi e sistemi automatici di acquisizione dati. La principale differenza tra queste tipologie di dispositivi è il numero di cifre del loro display e la loro frequenza di campionamento [7].  

II. Laboratori innovativi 

L’efficacia del corso e, in particolare, dei laboratori presentati nelle sottosezioni seguenti è stata valutata mediante questionari sottoposti agli studenti. I risultati del questionario per la soddisfazione degli studenti dimostrano che, con più di 100 questionari compilati, il 90% degli studenti ritiene che i laboratori e le esercitazioni pratiche siano molto utili per la comprensione degli argomenti del corso. 

1.  Pratica di laboratorio #1: Misura della curva I-V delle celle solari in condizioni di oscurità 

Nella prima pratica di laboratorio, gli studenti verificheranno le prestazioni delle celle solari in condizioni di oscurità, sia in caso di Forward Bias (FB) che di Reverse Bias (RB). In particolare, le attività svolte in laboratorio consistono in Spiegazioni Teoriche (TE) e Attività Pratiche (PA). In primo luogo, verrà fornita una breve introduzione ai principi di funzionamento dei multimetri digitali. Un multimetro digitale permette di misurare diverse grandezze fisiche utilizzando lo stesso dispositivo: nella presente attività, gli studenti utilizzeranno due multimetri identici (aventi 4 1/2 cifre [8]) per misurare la tensione e la corrente delle celle solari. La Fig. 1 mostra il display del multimetro, i pulsanti di impostazione del dispositivo e i terminali positivi e negativi per misurare la tensione o la corrente. 

Fig. 1.  Cifre, pulsanti di impostazione e terminali del multimetro  

Quindi, verranno presentati i principi di funzionamento di una cella solare. In particolare, le prestazioni delle celle solari possono essere descritte da un circuito equivalente costituito da una sorgente di corrente, un diodo collegato in antiparallelo e due resistenze. Il primo è una fonte di corrente che genera per effetto fotovoltaico; Il diodo tiene conto della diffusione nella giunzione p-n e della ricombinazione delle coppie lacuna-elettrone; Le resistenze quantificano la corrente di dispersione attraverso le superfici laterali della cella solare e la caduta di tensione attraverso le dita e le sbarre collettrici sulla parte anteriore della cella solare [9][10]. 

Le celle solari sono diodi: tuttavia, le loro prestazioni sono influenzate dall’irraggiamento che investe la loro superficie anteriore. In condizioni di oscurità, quando viene applicata una tensione esterna, se le celle solari sono polarizzate in avanti, cioè viene applicata una tensione positiva, il campo elettrico generato dalla giunzione p-n diminuisce, rendendo più facile la diffusione attraverso la regione di esaurimento. Di conseguenza, la corrente di diffusione aumenta e una notevole quantità di corrente circola nel circuito. 

Al contrario, se le celle sono polarizzate inverso, cioè viene applicata una tensione negativa, il campo elettrico aumenta e la corrente di diffusione diminuisce, portando ad una corrente trascurabile nel circuito. Nella presente pratica di laboratorio, viene eseguita la misura della curva corrente-tensione (I-V) delle celle solari ombreggiate in FB e RB. 

Dopo questa descrizione teorica, verranno presentati il circuito di misura e le connessioni in caso di celle FV e gli studenti tracceranno  la curva I-V delle celle solari in condizioni di oscurità. In particolare, gli studenti aumenteranno la tensione dell’alimentazione da zero alla tensione a circuito aperto del modulo fotovoltaico (1,2 V), con correnti rilevate fino a pochi A. I dati elettrici più importanti del modulo fotovoltaico sono riportati nella tabella 1. 

Tabella 1. Principali dati elettrici del modulo fotovoltaico in analisi. 

Tensione a circuito aperto	1.2	In
Corrente di cortocircuito	8.6	Un
Potenza nominale	8	In

Come accennato in precedenza, i moduli fotovoltaici sono diodi. Di conseguenza, a basse tensioni non si verifica alcuna conduzione, mentre, dopo una tensione di soglia, la corrente aumenta esponenzialmente [11]. Per questo motivo, a basse tensioni, è possibile memorizzare pochi punti sperimentali, mentre agli studenti viene richiesto di tracciare un numero enorme di punti dopo la soglia, cioè quando avviene la conduzione, al fine di apprezzare meglio la forma della curva, che è simile a quella dei diodi. La stessa procedura verrà ripetuta per le celle fotovoltaiche con polarizzazione inversa. In questo caso, la corrente rilevata nel circuito sarà inferiore alla precedente misura eseguita (decine di milliampere) e la curva è quasi lineare: quindi, gli studenti possono memorizzare meno punti sperimentali, raggiungendo tensioni fino a -20 V perché la corrente misurata sarà trascurabile. 

Infine, l’incertezza delle misure sarà calcolata dagli studenti partendo dall’incertezza dei multimetri digitali dalla scheda tecnica (due contributi a seconda delle letture e degli intervalli). La Fig. 2 presenta il modulo fotovoltaico (dimensioni: 35 cm x 17 cm) e l’alimentatore utilizzato in questa pratica di laboratorio. Un file PowerPoint per ogni sessione di laboratorio verrà fornito agli studenti prima dell’inizio delle attività. 

Fig. 2. Modulo fotovoltaico (a destra) e alimentatore (a sinistra) utilizzati dagli studenti 

2. Pratica di laboratorio #2: Misura della curva I-V delle celle solari irradiate. 

Nella seconda pratica di laboratorio, gli studenti verificheranno le prestazioni delle celle solari irradiate da lampade artificiali. In questa sessione di laboratorio, un oscilloscopio [12] sarà utilizzato per tracciare la curva I-V delle celle solari irradiate.  

Fig. 3. Oscilloscopio e sonde per segnali di corrente e tensione. 

In primo luogo, vengono presentate le nozioni di base riguardanti il principio di funzionamento di un oscilloscopio e le impostazioni appropriate per l’esperienza. In particolare, l’oscilloscopio sarà collegato a sonde di corrente e tensione (Fig. 3); Un trigger appropriato verrà impostato sul segnale corrente per avviare la misurazione. Le prestazioni elettriche dei generatori fotovoltaici possono essere determinate con pochi metodi [13]: nella terza parte della pratica di laboratorio, vengono presentati i metodi più comuni per tracciare la  curva I-V di un modulo fotovoltaico. Nella presente attività, un modulo fotovoltaico carica un condensatore [10], inizialmente scaricato, da una condizione di cortocircuito a quella di circuito aperto. Lo stesso modulo utilizzato nel laboratorio precedente (Fig. 2a) è irradiato da lampade artificiali, che forniscono l’idoneità per misurare una corrente fino a pochi ampere. All’inizio del processo transitorio prima della chiusura di un interruttore, il modulo fotovoltaico funziona in condizioni di circuito aperto: dopo la chiusura dell’interruttore, la tensione fotovoltaica è la stessa attraverso i terminali del condensatore, che è zero perché il condensatore è scaricato e la corrente che scorre nel circuito è la corrente massima che le celle solari possono fornire (la corrente di cortocircuito). Quindi, per un intervallo di tempo limitato, la tensione aumenta linearmente, mentre la corrente fotogenerata rimane quasi costante. Dopo questo intervallo, la tensione del condensatore satura raggiungendo la tensione a circuito aperto delle celle fotovoltaiche e la corrente diminuisce a zero (condizione a circuito aperto). Alla fine del transitorio, il condensatore viene caricato: nessuna corrente scorre nel circuito e la tensione attraverso i suoi terminali è la tensione a circuito aperto del modulo fotovoltaico. Al termine delle due esercitazioni di laboratorio, gli studenti possono rappresentare sullo stesso grafico le  curve I-V  del modulo fotovoltaico in condizioni di oscurità e irradiate artificialmente al fine di confrontare le curve I-V in condizioni diverse. 

3.  Pratica di laboratorio #3: Misura della caratteristica corrente-tensione di un transistor. 

Nella terza sessione di laboratorio, gli studenti tracceranno la curva I-V di uscita di un transistor operante come interruttore di alimentazione [14]. Le attività di laboratorio sono le seguenti: in primo luogo, verrà fornita un’introduzione al circuito di misura e alle sue connessioni. Quindi, vengono descritti i principi di funzionamento e le applicazioni dei transistor. Un transistor è un semiconduttore che permette di amplificare o commutare segnali elettrici o energia elettrica utilizzando un segnale di controllo. Nella presente attività verrà misurata la curva caratteristica di un transistor bipolare a gate isolato (IGBT); questo dispositivo ha tre terminali: un collettore, un cancello e un emettitore (Fig. 4a).  

Fig 4. Terminali del circuito di controllo e del circuito di potenza dell’IGBT in analisi (a destra) e del circuito di misura (a sinistra). 

In particolare, una tensione applicata tra il gate e l’emettitore (la tensione di controllo) permette di controllare il funzionamento del transistor: se questa tensione è inferiore ad una soglia indicata dal costruttore (la tensione di attivazione), il transistor sarà OFF. Al contrario, se la tensione di controllo è sufficientemente elevata, il transistor verrà attivato e il suo funzionamento sarà determinato dalla tensione applicata al collettore e all’emettitore (la tensione di alimentazione). Nella prima attività pratica del laboratorio, gli studenti applicheranno una tensione di potenza costante (3 V), mentre la tensione di controllo assumerà due valori. In particolare, sarà pari a 2 V e 10 V: nel primo caso, la tensione di controllo è inferiore alla tensione di attivazione del transistor (8 V): quindi, il transistor sarà OFF e verrà misurata una corrente trascurabile per qualsiasi tensione di alimentazione applicata. In una seconda fase, la tensione di controllo sarà di 10 V: in tale condizione, gli studenti controlleranno il funzionamento attivo del transistor misurando una corrente nel circuito nell’ordine di pochi ampere. Successivamente, la seconda attività pratica consisterà nel tracciare la curva I-V di uscita del transistor (Fig. 4b) in modalità operativa (tensione di controllo superiore a quella di attivazione). In questo caso, il transistor verrà attivato e gli studenti varieranno la tensione di alimentazione da 0 a 3 V, misurando la corrente circolante nel circuito. 

4.  Pratica di laboratorio #4: Misurazione delle prestazioni di un convertitore DC/AC. 

Nella quarta sessione di laboratorio, gli studenti utilizzeranno un sistema di acquisizione automatica dei dati (ADAS) per valutare le prestazioni di un  inverter di Pulse Width Modulation (PWM). Le attività di laboratorio sono presentate in dettaglio: in primo luogo, verranno descritti i principi di funzionamento e le componenti principali degli ADAS. In particolare, gli studenti gestiranno la scheda di acquisizione dati (Fig. 5a), che ha otto canali per misurare i segnali di corrente e tensione: nella presente attività, due canali sono utilizzati per acquisire corrente / tensione DC e due canali consentono di acquisire corrente / tensione AC. Successivamente, verrà descritto il circuito di misura dell’attività: in questo caso, gli studenti utilizzeranno componenti appropriati sul lato DC e AC per filtrare i segnali di ingresso / uscita e ridurre la loro distorsione. In particolare, lato DC, un induttore permette di filtrare la corrente, mentre, lato AC, un induttore e un condensatore permettono di filtrare (passa basso) rispettivamente i segnali di corrente e tensione. 

Fig. 5. Scheda di acquisizione dati (a) adottata per analizzare le prestazioni di un inverter (b). 

In  un’altra fase, verranno descritti i principi di funzionamento dei convertitori DC/AC. Un inverter converte le quantità CC in segnali CA equivalenti. Tuttavia, la conversione DC/AC porta a perdite, che dipendono dal funzionamento dell’inverter. In particolare, a pieno carico, aumenta l’efficienza dei convertitori, portando a minori perdite, mentre a carico parziale aumenta l’impatto delle perdite sulla produzione di inverter PWM, corrispondente ad una minore efficienza. Nella fase successiva, gli studenti verificheranno gli effetti dei filtri sul lato DC e AC confrontando i segnali con e senza i filtri. La Fig. 6 mostra l’interfaccia degli ADAS con i segnali DC e AC. 

Fig. 6. Interfaccia degli ADAS utilizzati dagli studenti con un esempio di segnali DC e AC. 

Infine, gli studenti valuteranno la distorsione armonica totale per segnali sia di tensione che di corrente [14], e le prestazioni di un inverter (Fig. 5b) che alimenta carichi diversi [15]. In questo caso, gli inverter forniranno resistenze da banco: gli studenti ridurranno progressivamente la resistenza corrispondente. Pertanto, verrà misurato un aumento dell’efficienza. 

III. Conclusione 

Il “Photovoltaic Power Generation” è un corso accademico per studenti di ingegneria elettrica ed energetica del Politecnico di Torino. L’elemento chiave di questo approccio educativo consiste nell’acquisizione di nuove abilità attraverso una partecipazione diretta e concreta e si traduce nella combinazione di lezioni teoriche tradizionali, esercitazioni pratiche e laboratori innovativi. Questi laboratori sono dedicati a misurare le effettive prestazioni di efficienza dei moduli fotovoltaici e dei convertitori DC/AC, che sono i componenti cruciali dei sistemi fotovoltaici. Le pratiche di laboratorio proposte consentono di introdurre gli studenti nelle misure di grandezze elettriche mediante multimetri portatili e da banco, oscilloscopi e sistemi di acquisizione dati. 

Riferimenti 

1. J. Zalewski, G. Novak, R. Carlson,” An Overview of Teaching Physics for Undergraduate in Engineering Environments,”in Education Sciences, vol. 9 pp. 278, 2019. 

2. S. Hartikainen, H. Rintala, L. Pylväs, P. Nokelainen, “Il concetto di apprendimento attivo e la misurazione dei risultati dell’apprendimento: una revisione della ricerca nell’istruzione superiore ingegneristica”, in Educ. Sciences, vol. 9 pp. 276, 2019. 

3. Cooperazione euro-mongola per la modernizzazione dell’istruzione ingegneristica (EU MONG). [Online] Disponibile: http://eu-mong.eu/ (consultato il 06 marzo 2020). 

4. Tzanova, S., Work in Progress: Competence Building in Engineering Education in Mongolia, Proc. of EDUCON 2020, 27-30 aprile 2020, pp. 33-36. 

5. Piattaforma aperta edX® del progetto EU-MONG. [Online] Disponibile: http://34.90.160.25/ (consultato il 06 marzo 2020). 

6. Progetto edX. [Online] Disponibile: https://www.edx.org/about-us (consultato il 06 marzo 2020).  

7. J. Gao, W. Huang, W. Wei, L. Guo, H. Li, P. Ye, “Trade-off between Sampling Rate and Resolution: A Time-synchronized Based Multi-resolution Structure for Ultra-fast Acquisition”, IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), Firenze, Italia, pp. 1-5, 2018. 

8. Scheda tecnica SDM3045X [Online] Disponibile: siglentna.com/wp-content/uploads/dlm_uploads/2017/10/SDM3045X_DataSheet_DS06034-E02B.pdf. 

9. M.B.H. Rhouma, A. Gastli, L.B. Brahim, F. Touati, M. Benammar, “A simple method for extracting the parameters of the PV cell single-diode model”, in Renewable Energy, vol. 113, pp. 885-894, 2017. 

10. F. Spertino, A. Ciocia, P. Di Leo, S. Fichera, G. Malgaroli, A. Ratclif, “Towards the Complete Self-Sufficiency of an nZEBs Microgrid by Photovoltaic Generators and Heat Pumps: Methods and Applications”, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 55, n. 6, pp. 7028-7040, Nov.-Dec. 2019. 

11. J. Ahmad, F. Spertino, A. Ciocia, P. Di Leo, “A maximum power point tracker for module integrated PV systems under rapid changing irradiance conditions”, 2015 International Conf. on Smart Grid and Clean Energy Tech., Offenburg, pp. 7-11, 2015. 

12. Scheda tecnica SDS1104X-E. [Online] Disponibile: siglentna.com/product/sds1104x-e-100-mhz/. 

13. A. Ciocia, G. Malgaroli, A. Spedicato, F. Spertino, H. Andrei, V. Boicea, “A. Quality Check during Manufacturing of Custom Photovoltaic Modules with Back-Contact Cells”, 54th International Universities Power Engineering Conference (UPEC), Bucarest, Romania, pp. 1-6, 2019. 

14. F. Spertino, G. Chicco, A. Ciocia, G. Malgaroli, A. Mazza, A. Russo, “Harmonic distortion and unbalance analysis in multi-inverter photovoltaic systems,” 2018 International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM), Amalfi, pp. 1031-1036, 2018. 

15. F. Spertino, G. Graditi, “Power conditioning units in grid-connected photovoltaic systems: A comparison with different technologies and wide range of power ratings”, in Solar Energy, vol. 108, pp. 219-229, 2014.