Una  delle tecnologie più importanti per la produzione di energia rinnovabile è quella fotovoltaica (PV). Negli ultimi decenni, l’enorme crescita nel mondo della capacità di installazione fotovoltaica, e le tendenze future, rendono la conoscenza di questo argomento fondamentale per gli ingegneri che lavorano nel campo energetico con questa competenza, e non solo. Pertanto, per gli studenti iscritti ai corsi di ingegneria industriale, sono necessari metodi didattici appropriati e innovativi. Questo lavoro si propone di descrivere la struttura del corso “Photovoltaic Power Generation” in cui vengono spiegate le risorse solari e i generatori fotovoltaici, compresa l’elettronica di potenza. Vengono presentati gli argomenti delle lezioni teoriche tradizionali, con i link alle esercitazioni pratiche e ai laboratori. 

Parole chiave : formazione ingegneristica; istruzione superiore; e-learning; insegnamento innovativo; pratica di laboratorio. 

1. Introduzione 

In Europa esistono molti sistemi diversi di istruzione superiore e formazione. In passato, era difficile capire e confrontare le qualifiche di altri paesi. I titoli delle qualifiche, pur essendo gli stessi, potrebbero considerare contenuti diversi. Per questo motivo, nel 2004, lo sviluppo del Quadro europeo delle qualifiche (EQF) è iniziato in risposta alle richieste degli Stati membri europei di un riferimento comune per le qualifiche [1][2]. In questo contesto, viene indicata la definizione dei risultati di apprendimento per conoscenze, abilità e competenze. L’acquisizione di conoscenze teoriche è necessaria per costruire competenze specifiche, che consentono di acquisire competenze nelle attività lavorative. Per «competenza» si intende la comprovata capacità di utilizzare conoscenze, abilità e abilità personali, sociali e/o metodologiche, in situazioni di lavoro o di studio e nello sviluppo professionale e personale. Secondo queste definizioni, il corso “Photovoltaic Power Generation” (PPG) fornisce 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 previsto combinando lezioni teoriche con esercitazioni pratiche e laboratori innovativi [3], che migliorano l’apprendimento attivo delle conoscenze teoriche [4]. 

Il corso PPG è offerto agli studenti del Politecnico di Torino da docenti frontali, e in e-learning a studenti mongoli nell’ambito del progetto europeo “Euro-Mongolian cooperation for modernization of engineering Education” (EU-MONG) [5]. Il progetto EU-MONG mira a modernizzare e internazionalizzare l’istruzione superiore in scienze ingegneristiche in università selezionate in Mongolia. Viene fatto attraverso l’innovazione dei curricula di Master in base alla domanda del mercato del lavoro e al nuovo sviluppo nell’area. 

La mobilità virtuale, attraverso l’e-learning fornito dalle TIC, è un punto chiave del progetto EU-MONG. Al fine di fornire corsi di e-learning, EU-MONG utilizza una piattaforma Open edX, perché è ben nota nelle università mongole.  Open edX è la piattaforma open source derivata dal progetto EdX fondato dalle università di Harvard e del MIT [6]. Il progetto Open edX consente di creare liberamente piattaforme per altre istituzioni per condividere corsi online. Più di 30 corsi universitari e-learning in ingegneria elettrica, comunicazioni ed efficienza energetica sono disponibili sulla piattaforma Open edX di EU-MONG [7]. Ogni corso è caratterizzato dal suo numero di ECT, dal titolo di ogni lezione teorica, esercitazione pratica o prova di laboratorio. 

Le lezioni, erogate da quattro università/istituzioni europee (Technical University of Sofia che è il coordinatore, Politecnico di Torino, Technical University of Berlin, National Institute of Solar Energy dalla Francia) e tre università mongole, includono diversi tipi di materiale didattico, come lezioni video, diapositive video, script, esercizi ed esami scritti. In quest’ultimo caso, sono presenti diversi esempi di prove scritte passate con le soluzioni fornite da studenti eccellenti.  

II. Corso “Generazione di energia fotovoltaica” 

Il corso “Photovoltaic Power Generation” è dedicato ai sistemi fotovoltaici a partire dai loro principi di funzionamento, in cui sono inclusi aspetti generali dell’elettronica di potenza. Il corso è organizzato con 40 ore di lezioni frontali, 14 ore di esercitazioni pratiche e 6 ore di laboratori. La durata di ogni lezione è di 1,5 ore. Viene offerto agli studenti dei diversi corsi di ingegneria industriale [8]. 

Durante le lezioni frontali verranno fornite nozioni teoriche riguardanti la descrizione della generazione e degli impianti fotovoltaici. Al fine di consentire una corretta comprensione dell’argomento, le prime lezioni sono dedicate alle basi della teoria dei circuiti elettrici. Infatti, negli anni passati, gli studenti hanno mostrato difficoltà a comprendere gli aspetti elettrici degli argomenti, a causa del loro diverso background da diversi corsi di ingegneria industriale.  

Dopo l’introduzione, viene presentato lo stato dell’arte nel settore fotovoltaico (PV); in particolare, i vantaggi/inconvenienti e i costi di installazione; processo di produzione di celle solari al silicio. La spiegazione iniziale dei vantaggi e degli svantaggi delle tecnologie fotovoltaiche, rispetto ai combustibili fossili, è fondamentale. Permette agli studenti di comprendere l’importanza di questa tecnologia, e la corrente diffusa nel mondo. Di conseguenza, gli studenti mostrano maggiore interesse, anche per le lezioni teoriche della prima parte del corso. 

Le lezioni frontali proseguono con la spiegazione della struttura dei semiconduttori: banda di energia, drogaggio, giunzione p-n e campo elettrico, perdite nella conversione di energia. La risposta spettrale e l’efficienza delle principali tecnologie (silicio cristallino e amorfo, film sottili di tellururo di cadmio, rame-indio-diseleniuro) permettono di comprendere il principio di funzionamento della generazione fotovoltaica. A conclusione della prima parte teorica, vengono presentati il circuito equivalente della cella solare e la curva caratteristica corrente-tensione (in breve, curva I-V) a livelli variabili di irraggiamento e temperatura.  

Gli studenti hanno acquisito le competenze per svolgere il primo e il secondo laboratorio di questo corso: la misura della curva I-V di celle solari in condizioni di oscurità utilizzando multimetri digitali e la misura della curva I-V di celle solari irradiate da lampade artificiali utilizzando oscilloscopio digitale. Inoltre, gli studenti possono svolgere la prima esercitazione pratica riguardante il calcolo dei parametri elettrici dei moduli fotovoltaici a diversi irraggiamenti e temperature partendo dai dati presenti nella scheda tecnica dei produttori. Grazie a questi calcoli, gli studenti comprendono meglio la correlazione tra parametri elettrici e variabili ambientali. Inoltre, la lettura delle schede tecniche permette agli studenti di familiarizzare con questo genere di documenti tecnici, e di capire quali parametri sono utili per effettuare i calcoli.  

Le lezioni teoriche proseguono con la spiegazione della connessione serie/parallelo delle celle, del disallineamento della curva I-V e dell’effetto di ombreggiatura, dei punti caldi e della rottura; diodi di bypass e blocco. Gli aspetti non convenzionali dei generatori fotovoltaici rispetto alle fonti di tensione tradizionali sono descritti in dettaglio. Vengono presentate l’opzione di utilizzare i diodi di blocco in caso di corrente inversa in una stringa ombreggiata e la scelta del progettista in caso di ombreggiatura tra quella concentrata e quella equamente distribuita. Questi concetti sono utilizzati nel secondo esercizio pratico, consistente nel calcolo delle correnti inverse in stringhe fotovoltaiche collegate in parallelo. 

Nella seconda parte del corso, il docente descrive i convertitori di potenza DC-AC. La lezione inizia con la descrizione dei circuiti e dettagli sui componenti principali. Per quanto riguarda i transistor utilizzati come interruttori di potenza, gli studenti apprendono il loro principio di funzionamento e l’uso del convertitore monofase H-bridge con controllo PWM (Pulse Width Modulation) per la connessione alla rete. Per quanto riguarda il software, vengono spiegate le operazioni del Maximum Power Point Tracking (MPPT) e del controllo della potenza attiva/reattiva. In questo modo, gli studenti possono eseguire la terza e la quarta esercitazione di laboratorio, in cui misurano le caratteristiche di uscita di un transistor funzionante come interruttore utilizzando multimetri digitali, e misurano l’efficienza e la qualità dell’alimentazione per un inverter monofase utilizzando un sistema di acquisizione automatica dei dati. 

Nell’ultima parte del corso, gli studenti apprendono la teoria sull’accoppiamento dell’array fotovoltaico e dei convertitori di potenza DC-AC, i vincoli di potenza / tensione / corrente e le protezioni dell’interfaccia di rete. Pertanto, un esercizio pratico è dedicato all’accoppiamento ottimale tra array fotovoltaico e inverter. Calcolano le tensioni e le correnti massime dei generatori fotovoltaici e le confrontano con i limiti richiesti dai convertitori elettronici per il corretto funzionamento e la sicurezza. La potenza installata e la configurazione dei modelli fotovoltaici (il numero di moduli collegati in serie e il numero di stringhe) saranno modificate per soddisfare i vincoli di potenza, tensione e corrente. 

Infine, gli studenti vengono introdotti al calcolo convenzionale della produzione di energia, cioè la valutazione della radiazione solare e delle fonti di perdita nella produttività. Inoltre, gli studenti ricevono una panoramica sull’analisi economica con il metodo del valore attuale netto (VAN). Grazie a queste conoscenze, gli studenti sono pronti per l’ultima esercitazione pratica, consistente nella simulazione e progettazione di impianti fotovoltaici, turbine eoliche e sistemi di accumulo con un foglio di calcolo utilizzabile sia in aule reali che virtuali. La figura 1 mostra l’organizzazione del corso, con la divisione tra lezioni teoriche, esercitazioni di laboratorio ed esercitazioni pratiche. 

1. Un primo approccio alla strumentazione di misura 

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 [9].  

Generalmente, uno strumento di misura converte un segnale analogico (continuo) in uno digitale (discreto). Le cifre di visualizzazione si riferiscono al livello di risoluzione dello strumento di acquisizione, ovvero il livello di dettaglio che lo strumento è in grado di quantificare durante l’acquisizione di grandezze fisiche. Al contrario, la frequenza di campionamento indica il numero di punti sperimentali acquisiti dallo strumento nell’unità di tempo. Tuttavia, la risoluzione diminuisce quando aumenta la velocità di acquisizione: di conseguenza, è difficile ottenere un numero elevato di cifre con un’elevata frequenza di campionamento. Per questo motivo, è necessario selezionare un compromesso ottimale tra il livello di risoluzione e la velocità di misura in base al contesto sperimentale.  

In caso di semplice risoluzione dei problemi, lavori di manutenzione preventiva, non è richiesta un’elevata risoluzione di misurazione. In tali applicazioni, i multimetri digitali portatili rappresentano una soluzione ottimale, fornendo un basso numero di bit (in genere, compreso tra 12 e 16) con frequenze di campionamento fino a diverse decine di migliaia di campioni al secondo per calcolare i valori quadratici medi delle radici. Nella  pratica di laboratorio proposta, i multimetri digitali portatili hanno una precisione del  ≈0,05% per la tensione e del ≈1% per la corrente.   Al contrario, i multimetri da banco forniscono un numero maggiore di bit, compreso tra 18 e 24, corrispondente a un’incertezza molto più bassa fino ad alcune parti per milione. Questi dispositivi sono strumenti ad alte prestazioni, utilizzati principalmente per applicazioni di alta precisione come nei laboratori metrologici.  Nel laboratorio proposto,  i multimetri da banco utilizzati dagli studenti sono caratterizzati da 41/2 cifre e frequenza di campionamento fino a 500 kSa/s.  La precisione è ≈0,02% per la  tensione e ≈0,1% per la corrente. 

Gli oscilloscopi sono strumenti che visualizzano e analizzano la forma d’onda dei segnali elettrici. In particolare, questi dispositivi permettono di disegnare un grafico dei segnali istantanei di tensione e corrente in funzione del tempo. Gli oscilloscopi sono collegati a dispositivi elettrici mediante sonde di tensione e corrente, che consentono di selezionare il rapporto di attenuazione desiderato dei segnali. Inoltre, l’acquisizione può essere manuale o automatica, utilizzando un segnale trigger on tensione o corrente e gli oscilloscopi ad alte prestazioni possono raggiungere frequenze di campionamento fino a 1 GHz. Al contrario, la loro risoluzione è inferiore ai multimetri digitali perché, in generale, sono caratterizzati da 8 bit. In genere, gli oscilloscopi vengono utilizzati per testare apparecchiature elettroniche malfunzionanti, misurare il tempo tra gli eventi, guardare le forme del segnale e misurare l’ampiezza e la frequenza di un segnale.  Nel laboratorio proposto, gli oscilloscopi utilizzati dagli studenti sono caratterizzati da 8 bit e frequenza di campionamento fino a 1 GSa/s (con larghezza di banda analogica di 100 MHz). 

Infine, gli Automatic Data Acquisition Systems (ADAS) sono dispositivi elettronici che consentono di leggere, memorizzare e trasmettere automaticamente le misure dai sensori a un computer. In genere, gli ADAS sono costituiti dai seguenti componenti: 

• Trasduttori e sensori. 
• Condizionatori o circuiti consentono di spostare il segnale del trasduttore nell’intervallo della tensione di ingresso di un convertitore analogico-digitale, che è ± 5 V. 
• Gli ADC convertono un segnale analogico in uno digitale utilizzando un multiplexer per l’acquisizione fino a canali differenziali. 
• Multimetri digitali, oscilloscopi o monitor di computer visualizzano i risultati dell’acquisizione. 
• I computer con software dedicato e unità di memoria elaborano i risultati delle misurazioni. 

Questi dispositivi permettono di raggiungere un compromesso ottimale tra alti livelli di risoluzione ed elevate frequenze di campionamento. Infatti, gli ADAS possono visualizzare risultati con una risoluzione fino a 16 bit e possono essere acquisite milioni di registrazioni al secondo.  Nella pratica laboratoriale proposta, gli ADAS utilizzati dagli studenti sono caratterizzati da 12 bit e frequenza di campionamento fino a 250 kSa/s.   

B. Feedback degli studenti 

Al termine di tutti i corsi del Politecnico di Torino, gli studenti sono invitati a compilare un questionario anonimo riguardante la qualità del corso. Il questionario è un metodo di valutazione del corso sempre più utilizzato [10][11], e non è obbligatorio. Gli studenti rispondono a domande relative alla capacità dell’insegnante di insegnare, all’organizzazione del corso, all’infrastruttura e al loro grado di interesse e soddisfazione. Possono scegliere uno dei quattro livelli di apprezzamento: da “uno” corrispondente al livello più basso, fino al livello “quattro” che è il più alto. Pertanto, il tasso di soddisfazione è calcolato come il numero di valutazioni alte (livello “tre”) e molto alte (livello “quattro”) rispetto alle valutazioni totali. Per quanto riguarda il corso “Generazione di energia fotovoltaica”, gli studenti mostrano apprezzamento per il corso e l’utilizzo di attività didattiche integrative. Negli ultimi tre anni accademici, gli studenti dei corsi di lingua italiana e inglese sono stati da 100 a 200, e oltre il 60% degli studenti di ciascun corso ha completato il questionario. In tutti i corsi, offerti in lingua italiana o inglese, il tasso di soddisfazione è sempre di circa l’80% per l’apprezzamento generale dei corsi. Per quanto riguarda l’apprezzamento delle esercitazioni e delle pratiche di laboratorio, il tasso di soddisfazione è vicino al 90%, a dimostrazione dell’importanza dell’integrazione di questi metodi didattici con le lezioni teoriche tradizionali. 

II. Conclusione 

Il corso “Photovoltaic Power Generation” è offerto agli studenti del Politecnico di Torino da docenti frontali. Al fine di fornire conoscenze, abilità e competenze di alto livello relative alla generazione fotovoltaica, i docenti offrono lezioni teoriche tradizionali abbinate ad esercitazioni pratiche e pratiche di laboratorio innovative. Le attività pratiche potenziano l’apprendimento attivo delle conoscenze teoriche, secondo la nota teoria del “learning by doing”. I questionari riguardanti la qualità del corso dimostrano che l’apprezzamento degli studenti per il corso è alto. Il tasso di soddisfazione è superiore all’80% per il corso generale e il tasso di soddisfazione per le esercitazioni di laboratorio è di circa il 90%. 

Riferimenti

[1] Quadro europeo delle competenze elettroniche. Disponibile online: http://ecompetences.eu/wp-content/uploads/2013/11/EQF_broch _2008_en.pdf (consultato il 06 marzo 2020). 

[2] Commissione europea. Disponibile online: https://ec.europa.eu/ploteus/en/content/descriptors-page (consultato il 06 marzo 2020). 

[3] Zalewski, J.; Novak, G.; Carlson, R. Una panoramica dell’insegnamento della fisica per studenti universitari in ambienti di ingegneria. Educ. Sci.  2019, 9(4), 278. 

[4] Hartikainen, S.; Rintala, H.; Pylväs, L.; Nokelainen, P. Il concetto di apprendimento attivo e la misurazione dei risultati di apprendimento: una revisione della ricerca nell’istruzione superiore di ingegneria. Educ. Sci.  2019, 9(4), 276. 

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

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

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

[8] Politecnico di Torino, catalogo dei corsi.  Disponibile online: https://didattica.polito.it/offerta/index_en.html. 

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

[10] Martínez-Roget, F.; Freire Esparís, P.; Vázquez-Rozas, E. Soddisfazione degli studenti universitari e acquisizione di competenze: prove dalla tesi di laurea. Educ. Sci.  2020, 10(2), 29. 

[11] Lukianenko, M. S.; Mischenko, E. S. Work in progress: All Round Questionnaire (ARQ) as the tool for raising quality of teaching, Proceedings of 2015 International Conference on Interactive Collaborative Learning (ICL), Florence, Italy, IEEE, 2015, pp. 30-33.