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MANUALI TECNICI

FOVOLTAICO NON CONNESSO ALLA RETE ELETTRICA

INTRODUZIONE

Gli impianti fotovoltaici sono sistemi che convertono l’energia solare in energia elettrica tramite celle solari o pannelli fotovoltaici. La maggior parte di questi sistemi è progettata per essere collegata alla rete elettrica nazionale, consentendo di immettere l’energia prodotta e di usufruire di eventuali surplus. Tuttavia, esiste anche una configurazione autonoma, detta impianto fotovoltaico isolato o in isola, che non è connesso alla rete elettrica pubblica. Questo tipo di impianto è particolarmente utile in aree remote, in applicazioni di emergenza o in situazioni in cui l’allacciamento alla rete non è praticabile o conveniente.

Un impianto fotovoltaico non connesso alla rete, detto anche impianto stand-alone o isolato, è un sistema indipendente che fornisce energia elettrica esclusivamente per il consumo locale. La produzione di energia solare viene immagazzinata in sistemi di accumulo (batterie) e distribuita ai carichi elettrici senza il supporto di una rete di distribuzione esterna.

SCHEMA A BLOCCHI

Negli impianti Off Grid con appositi Inverter ibridi è possibile collegarsi a un generatore di corrente elettrica o alla rete elettrica nazionale e prelevare la tensione quando le batterie sono scariche o c’è la necessità di energia supplementare, ma non è possibile immettere energia in rete e, in questo caso, non è necessario nessuna autorizzazione verso il GSE, ma la normativa CEI 0-21 asserisce che : l’impianto a isola su rete del DSO (Distribution System Operator) non è mai ammessa, salvo casi regolamentati su specifica richiesta del DSO, ovvero quando l’impianto di produzione dell’Utente alimenta l’intera rete o parte

dalla rete del DSO. Per cui è bene verificare che tali inverter rispettino la normativa CEI 0-21.   

Componenti principali di un impianto fotovoltaico isolato

1. Pannelli fotovoltaici: dispositivi che convertono la luce solare in corrente continua (DC). La scelta del numero e della potenza dei pannelli dipende dal fabbisogno energetico e dalla disponibilità di spazio.
2. Regolatore di carica (charge controller): dispositivo che regola la quantità di corrente inviata alle batterie, prevenendo sovraccarichi e scariche profonde che potrebbero danneggiare le batterie.
3. Batterie di accumulo: sistemi di accumulo dell’energia prodotta, di solito di tipo al piombo-acido, al litio o altre tecnologie avanzate. La loro capacità deve essere dimensionata in modo da garantire energia anche durante periodi di scarsa insolazione.
4. Inverter: apparecchio che trasforma la corrente continua (DC) immagazzinata nelle batterie in corrente alternata (AC), utilizzabile per alimentare apparecchi domestici o industriali.
5. Carichi: dispositivi o apparecchiature alimentate dall’impianto, come illuminazione, pompe, dispositivi elettronici, etc.
6. Sistema di monitoraggio: strumenti per controllare lo stato di funzionamento dell’impianto, la produzione di energia, lo stato delle batterie, etc.

Progettazione di un impianto fotovoltaico isolato

1. Analisi dei consumi

Il primo passo è determinare con precisione il fabbisogno energetico giornaliero, considerando tutti i dispositivi che si intendono alimentare. Si calcola la potenza di ciascun apparecchio e si stima il consumo totale in kWh ( Energia) al giorno.

2. Valutazione della disponibilità solare

È fondamentale analizzare l’insolazione media annua dell’area geografica in cui verrà installato l’impianto. Questo dato permette di stimare la produzione di energia dei pannelli e di dimensionare correttamente i componenti.

3. Dimensionamento dei pannelli fotovoltaici

In base ai consumi e alla radiazione solare, si calcola la potenza totale di pannelli richiesta, considerando anche eventuali perdite di sistema (circa il 10-20%). La quantità di pannelli si determina dividendo la produzione desiderata per la produzione stimata di un singolo pannello.

4. Dimensionamento delle batterie

Le batterie devono avere una capacità sufficiente a garantire l’autonomia durante periodi di bassa insolazione o di maggiore consumo. Si consiglia di prevedere una capacità di almeno 3-5 giorni di autonomia, considerando le perdite di efficienza e la profondità di scarica raccomandata per il tipo di batteria scelto.

5. Dimensionamento del regolatore di carica

La funzione del regolatore di carica  è quella di regolare la tensione proveniente dal pannello solare e di inviare una adeguata, corretta, e costante corrente elettrica in grado di caricare la batteria, evitando i sovraccarichi.

5. Selezione dell’inverter

L’inverter deve essere dimensionato in base alla potenza di picco dei carichi, preferibilmente con una capacità leggermente superiore al fabbisogno massimo per evitare sovraccarichi.

NOTA:

L’installazione di un Impianto Fotovoltaico fai da te non collegato alla rete elettrica, se si tratta di un sistema complesso, e non siete un professionista del settore, potrebbe essere difficoltoso e sarebbe opportuno rivolgersi a una ditta specializzata, invece, seguendo passo passo le mie indicazioni, sarete in grado di progettare un impianto fotovoltaico, e acquistare in autonomia i pannelli fotovoltaici, le strutture di supporto, l’Inverter, il Regolatore di Carica, ed i materiali di cablatura: riducendo la spesa complessiva senza rinunciare alla qualità; oppure fare un confronto con il preventivo che le ditte vi propongono. Una volta che avrete scelto la migliore soluzione sul mercato potrete commissionare al vostro elettricista la realizzazione dell’impianto fotovoltaico.

Per quanto riguarda le autorizzazioni anche il fotovoltaico (installazione, riparazione, sostituzione) è tra gli interventi in Edilizia Libera previsti dal DM del 2 Marzo 2018 entrato in vigore il 22 Aprile purché al di fuori dei centri storici. Per cui, Per i piccoli impianti domestici, se i pannelli sono amovibili non necessitano di nessuna autorizzazione comunale. Se invece i pannelli si fissano sul tetto della casa (senza modificarne la sagoma) avranno bisogno, nella gran parte dei casi, di una comunicazione preventiva all’Ufficio Tecnico del Comune. Per gli impianti realizzati in condominio ma al servizio di singole utenze (impianti non centralizzati) non grava alcun tipo di autorizzazione comunale, ma solo quella dello stesso condominio.

PROGETTAZIONE

ANALISI DEI CONSUMI

Quando si vuole realizzare un impianto fotovoltaico a isola il primo parametro da tenere presente è il fabbisogno medio di Energia in kilowattora (kWh) giornaliera.

Per prima cosa chiarisco cosa si intende per Potenza e cosa si intende per Energia.

• La Potenza  è quel valore in Watt data dalla formula P=V x I.
• L’Energia elettrica è la Potenza per il tempo, data dalla formula E= P x t (kWh).
• Il kWh è l’unità di misura del consumo di energia elettrica, che è la grandezza che di solito troviamo nella bolletta elettrica.
• Anche se meno usata possiamo utilizzare anche il Wattora (Wh) definita come l’energia complessiva fornita dalla potenza di un watt (W) mantenuta per un’ora(h).

Per calcolare l’Energia consumata giornalmente devo sapere il consumo in Watt di ogni apparato che voglio alimentare con il fotovoltaico (la potenza  in Watt la trovo sull’etichetta posta sotto l’apparato o nel libretto delle istruzioni), e moltiplicare il valore di ognuno per il tempo per il quale intendo utilizzarlo, facendo poi la somma.

Esempio: una lampadina da 70 Watt tenuta accesa per 2 ore consumerà 140 Wattora (Wh), un personal computer portatile che consuma 30 Watt, se lo tengo acceso per 6 ore avrò utilizzato 180 Wattora.

In totale il fabbisogno giornaliero sarà dato dalla somma dei 140 Wh della lampadina, più i 180 Wh del computer, per un totale di 320 Wh.

Per rendere più semplice il calcolo del consumo possiamo sommare le Potenze in Watt indipendentemente dalla Tensione di alimentazione.

Riassumendo: possiamo sommare la Potenza di una lampadina da 50 Watt + una sempre da 50 Watt + una da 100 Watt, e  il risultato sarà una Potenza totale di 200Watt, indipendentemente che siano alimentate a 220 V o a 12 V.

Per approfondire:  Differenza tra Potenza e Energia, e Differenza tra kilowatt e kilowattora.

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ESEMPIO DI DIMENSIONAMENTO 

Per il dimensionamento del sistema fotovoltaico non collegato alla rete elettrica è buona cosa rispettare una regola generale: l’energia prodotta dovrà essere maggiore di quella consumata.

ESEMPI DI POTENZA ASSORBITA 

Se volessimo, per fare un esempio, creare una postazione di lavoro per due persone connesse a Internet da usare come smart working, non collegata alla rete elettrica ma alimentata solo con il fotovoltaico, dovremmo avere: 2 Computer portatili, 1 Router, 1 stampante, 1 Switch, 2 lampade a led.

Per calcolare l’Energia giornaliera necessaria per alimentare la postazione di lavoro dovremo sommare le varie Potenze in Watt che trovo scritto nell’etichetta sotto l’apparato o sul libretto di istruzione, e poi moltiplicarle per le ore di utilizzo.

Nel nostro esempio ho calcolato l’energia giornaliera utilizzata da un posto di lavoro che sarà di 1,7 kWh:

VALUTAZIONE DELLA DISPONIBILITA’ SOLARE

La valutazione della disponibilità solare la ottengo attraverso l’irraggiamento (l’energia per unità di area) misurato in kWh/m² è derivata dalla radianza che è data dalla radiazione del sole che arriva sulla terra in modo diretto e diffuso; e se la superficie è inclinata, alla radiazione globale si deve sommare la radiazione riflessa. Per cui la radiazione globale sarà data dalla somma della radiazione diretta, diffusa, e riflessa.

Per trovare l’irraggiamento del posto dove dovrò installare il fotovoltaico avrò bisogno dei seguenti dati:

• latitudine
• longitudine
• azimut o orientamento
• inclinazione o tilt della falda
• riflessione (coefficienti di Albedo)
• ombreggiamenti

Latitudine e longitudine le trovo collegandomi a esempio con Google Heart dove inserisco la via e la città (vedi foto).

 

 Azimut o orientamento: indica la direzione orizzontale da Est a Ovest del generatore fotovoltaico.

Per calcolarlo lo posso fare empiricamente. Ammettiamo che la falda del tetto dove vorrei installare i pannelli fotovoltaici fosse posizionato rispetto al sud come si vede nella foto.

Con un programmino che trovo in Internet (https://www.geogebra.org/classic?lang=it) calcolo l’angolo rispetto al sud

Che in questo caso è – 67,4° in quanto per convenzione i gradi verso est hanno il segno meno.

Inclinazione o tilt della falda: è l’angolo di inclinazione del tetto dove è posato l’impianto fotovoltaico, e lo trovo con lo stesso programmino di prima, e in questo esempio è circa 26°.

Se i moduli sono disposti su più file su una terrazza o a terra dovranno mantenere una distanza tale da evitare ombreggiamenti, ed è un buon compromesso quando non ci sono ombreggiamenti nelle ore centrali del solstizio invernale.

Sintetizzando se consideriamo l’altezza utile (h) la proiezione sul piano verticale, e β l’angolo limite al di sotto del quale i moduli delle file posteriori subiscono l’ombreggiamento della fila anteriore, la distanza tra le file deve essere almeno tre volte l’altezza utile.

La radiazione riflessa dipende dalla natura del terreno e tale capacità viene quantificata tramite i coefficienti di Albedo che è il rapporto tra la radiazione riflessa da una superficie e la radiazione incidente sulla superficie stessa.

I coefficienti di Albedo possono assumere valori compresi tra 0 e 1.

Alcuni coefficienti di Albedo:

Nel nostro esempio scelgo l’asfalto invecchiato e avrò un coefficiente di Albedo di : 0,10

Ombreggiamenti: l’ombreggiamento dei moduli riduce l’irraggiamento su di una parte del campo FV e diminuisce la produzione di energia. Può essere provocato dalle ombre prodotte dagli edifici, alberi, tralicci, camini, antenne, ecc.; in questo esempio non ci sono ostacoli.

Ora ammettiamo che la nostra postazione di lavoro si trovi in una abitazione e i dati che dovrò inserire nel sito di ENEA (www.enea.it) sono i seguenti:

• Azimut: -67,4°
• Tilt: 26°
• Orientamento: latitudine 45° 41’ 15” / longitudine 8° 58’ 50”
• Riflessione (coefficienti di Albedo): 0,10
• Nessun ombreggiamento

I risultati della radiazione globale solare saranno i seguenti:

 

 Perdite di sistema (vedi scheda):

Per calcolare le perdite di sistema da inserire nell’espressione del calcolo della potenza del fotovoltaico uso:

1- Ps/100= 1- 36/100=0,64

Per il calcolo della radiazione solare si potrebbe usare un metodo più semplificato che necessita di una precisazione: se in un anno la radiazione solare potrebbe essere stimata in 1380 kWh/m² come nell’esempio (energia per unità di superficie), si può considerare che ciò derivi da un irraggiamento standard corrispondente alla potenza di un impianto di 1 kW/m² per un totale di 1380 ore (ore equivalenti).

Per un impianto solare, se si conosce la radiazione media annua per unità di superficie di un determinato sito (nel nostro caso, 1380 kWh/m²), è possibile calcolare il numero di ore N nel seguente modo: N = (1380 kWh/m²) / (1 kWh/m²) = 1380 ore equivalenti.

Questa introduzione è stata fornita per facilitare il calcolo, assumendo che le ore di sole medie giornaliere siano di 3,85 al nord Italia, 4,53 al centro e 4,75 al sud.

DIMENSIONAMENTO DEI PANNELLI FOTOVOLTAICI

DALLA CELLA SOLARE AL PANNELLO SOLARE

La cella solare è il componente base di un impianto fotovoltaico. Ogni cella può produrre una potenza da 3 a 6 Watt, poco per la maggior parte degli utilizzi, per cui le celle vengono collegate in serie e saldate tra di loro tramite i contatti Anteriori di colore Blu: polo Negativo, e Posteriori :polo Positivo (negativo-positivo-negativo-positivo-ecc.),

e formano un Modulo Fotovoltaico. I Moduli più comuni sono costituiti da 36 celle che consente di ottenere una potenza in uscita pari a circa 50 Watt, ma  possono anche essere formate da 48, 60, 72 celle che sono assemblate in modo di avere un valore di Tensione e Corrente utile a generare una Potenza che può arrivare anche oltre i 350 Watt per modulo.

Più Moduli solari o fotovoltaici collegati tra di loro formano un PANNELLO SOLARE.

Più Pannelli Solari collegati in serie, a seconda del bisogno di Tensione necessaria all’alimentazione degli apparati elettrici, formano una STRINGA.

Più Stringhe in parallelo costituiscono il GENERATORE SOLARE O FOTOVOLTAICO.

RIASSUNTO

• La cella solare è il componente elettrico elementare che trasforma la radiazione solare in energia elettrica.
• Il modulo è costituito da più celle solari connesse elettricamente tra loro.
• Il pannello è formato da più moduli collegati e posizionati sulla medesima struttura di supporto.
• La stringa è data dalla connessione in serie di più pannelli.
• Il generatore fotovoltaico è costituito da più stringhe connesse in parallelo.

I pannelli fotovoltaici possono essere collegati in serie, in parallelo, e in serie-parallelo.

Se fossero collegati in serie (stringa) le tensioni (Volt) dei pannelli si sommano, mentre la corrente (Ampere) totale rimane costante.

Esempio: se avessimo tre pannelli con una tensione di 12 Volt e una corrente di 3,5 Ampere collegati in serie la tensione totale Vu sarà 12 x 3 uguale a 36 Volt, mente la corrente totale rimane costante a 3,5 Ampere.

Se i pannelli fossero collegati in parallelo sarebbe la corrente a sommarsi, mentre la tensione rimane costante.

Esempio: se avessimo tre pannelli con una tensione di 12 Volt e una corrente di 3,5 Ampere collegati in parallelo la corrente totale Iu sarà 3,5 x 3 uguale a 10,5 Ampere, mentre la tensione totale rimane costante a 12 Volt.

Negli impianti fotovoltaici è possibile l’installazione di pannelli solari collegati in serie/parallelo in modo da incrementare sia la tensione che la corrente.

Nella pratica si utilizza uno o più pannelli connessi in serie (stringhe) per accrescere la tensione in uscita, e più stringhe collegate in parallelo per aumentare la corrente totale. 

Se volessimo collegare 6 pannelli solari in parallelo con una tensione di 12 Volt e 6 Ampere ognuno, avremmo la stessa tensione ma una corrente di 36 Ampere: abbastanza alta.

Si potrebbe risolvere in questo modo: fare tre stringhe di due pannelli in serie e collegarle in parallelo. Così facendo la corrente si abbassa a 18 Ampere totali (data dalla somma della corrente dei tre rami 6 x 3=18 A) mentre la tensione  totale sarà di 24 Volt (data dalla somma 12+12 =24 V).

 

PROTEZIONE DEI PANNELLI SOLARI

DIODO BYPASS E DIODI DI BLOCCO

Il pannello fotovoltaico è formato da tante celle solari messe in serie e i diodi bypass sono usati sia all’interno delle singole celle solari che tra i vari pannelli, e servono a far transitare la corrente in ogni stringa di celle solari anche in presenza di una cella o a un modulo non colpito dai raggi solari, evitando così la perdita di energia e impedire che la corrente inversa danneggi la cella stessa.

Con due sole stringhe la corrente inversa che si presenta in una stringa guasta può raggiungere al massimo il valore della corrente di cortocircuito della stringa funzionante ( Isc * (2-1) = Isc) per cui non sono necessari i diodi di blocco ( Isc * (2-1) = Isc).

Con più di due stringhe in parallelo è opportuno sempre l’utilizzo di diodi di blocco.

CALCOLO DALLA POTENZA DEL FOTOVOLTAICO

 Per calcolare la potenza che deve avere il fotovoltaico per generare l’energia di cui abbiamo bisogno, e di conseguenza anche il numero dei pannelli fotovoltaici necessari, utilizzo la seguente espressione:

Dove: PFV = Potenza del fotovoltaico in kW; Eg= consumo di energia giornaliera in kWh; Rs/g= irraggiamento medio giorno (preso come esempio un giorno di febbraio) su una superficie inclinata in kWh/m²; K= perdite di sistema ‹Per calcolare la perdita: 1 – (Ps/100)›.

Nel nostro esempio i valori sono i seguenti: Eg= energia consumata giornalmente= 1,7 kWh; Rs/g= 2,34 kWh/m²; K= 0,64 sono le perdite di sistema.

Per questo esempio se dovessi utilizzare dei pannelli con una potenza nominale di 230 Wp, il generatore fotovoltaico avrebbe bisogno di almeno 5 pannelli (Pfv=1130 W/ 230 Wp =4,9 pannelli), se invece volessi che il generatore fotovoltaico fosse progettato come riportato nel disegno, dovrò utilizzare: 2 stringhe di tre moduli da 230 Wp in serie e messe in parallelo, per cui la potenza nominale del generatore fotovoltaico sarà di 1380 Wp.

 

CARATTERISTICHE ELETTRICHE DEL PANNELLO FV

• Potenza massima : 230 * 6= 1380 Watt
• Tensione Vmp : 28,4 * 3= 85,2 Volt  
• Corrente Imp : 8,1 * 2 = 16,2 Ampere
• Corrente Isc : 9 * 2= 18 Ampere
• Tensione Voc : 36,6 * 3= 109,8 Volt

 DIMENSIONAMENTO DELLE BATTERIE

Le batterie possono essere collegate in Serie , in Parallelo, o Serie/Parallelo. In Serie si somma la Tensione e rimane invariata la capacità in Ampere-ora (Ah),

in Parallelo si sommano le capacità in Ampere-ora e rimane invariata la Tensione,

in Serie/Parallelo si somma sia la Tensione del ramo in serie che le capacità in Ampere-ora del ramo in parallelo. 

La capacità delle batterie in commercio (singole o banco batteria)  sono a esempio queste:

12 Volt (AGM)

120 Ah, 157 Ah, 200 Ah, 400 Ah, ecc. 

24 Volt (AGM)

100 Ah, 120 Ah, 140 Ah, 160 Ah, 200 Ah, 240 Ah, ecc. 

12 Volt (Litio)

100 Ah, 200 Ah, 300 Ah, ecc.

24 Volt (Litio)

100 Ah, 200 Ah, ecc.

Vedi anche: TEMPO DI CARICA E SCARICA DI UNA BATTERIA

Per la maggior parte delle batterie a ciclo profondo è buona norma scaricarle al 50% della capacità nominale se si tratta di batterie al piombo acido e gel, o all’80% / 90% se si tratta di batterie al Litio.

Per calcolare la capacità delle batterie al piombo acido e gel utilizziamo la seguente relazione:

Dove: CB=capacità della batteria in Ah; Eg= energia consumata giornalmente in Wh; Ng= giorni di autonomia; VFV=Tensione fotovoltaico; DOD= profondità di scarica, e si calcola in questo modo: DOD=1-SOC minima (nel caso di una batteria al Gel/Piombo: DOD= 1-50/100= 0,5; SOC è lo stato di carica, ovvero la percentuale di carica residua della batteria (nel caso di batterie al piombo acido sarà del 50%; mentre le batterie al Litio sarà del 80 o 90%) rispetto alla sua capacità: 0% vuota; 100% piena).

Per il nostro esempio utilizzerò delle batterie al piombo gel: la tensione del sistema è di 24 Volt, il consumo medio giornaliero di energia sarà di 1700 Watt, e i giorni di autonomia della batteria saranno 3.

Utilizzerò 2 batterie in serie e 2 in parallelo da 200 Ah ognuna, per una capacità totale di 400 Ah/24 Volt, ed energia equivalente di 9,6 kWh (Wh=V * Ah= 24 * 400= 9600 Wh o 9,6 kWh)

 

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DIMENSIONAMENTO DEL REGOLATORE DI CARICA

Il regolatore di carica ha come funzione principale quella di regolare  la corrente prodotta dal pannello fotovoltaico e mantenerla costante e corretta, adeguandola a quella necessaria per caricare la batteria, evitando sovraccarichi e verrà installato tra i pannelli fotovoltaici e le batterie.

Il regolatore interromperà l’invio della corrente elettrica alla batteria una volta che questa è carica, o escluderà il carico nel caso che la batteria sia in scarica profonda.

Il regolatore di carica ha le seguenti connessioni:

• l’ingresso per il collegamento dei pannelli fotovoltaici.

 

• l’uscita per collegare la batteria.

• l’uscita in corrente continua che può generare una tensione di 12, 24, o 48

• e alcuni dispongono anche di uscite USB.

 

Fare molta attenzione a rispettare le polarità + e – quando si collegano i cavi.

Esistono due tipi di regolatori: PWM (Pulse Width Modulation) e MPPT ( Maximum Power Point Tracking).

Prima di procedere con la configurazione, è fondamentale chiarire un concetto importante: i regolatori di carica non producono energia, ma si limitano a gestirla. Il loro ruolo principale consiste nel monitorare il livello di carica della batteria, senza avere un collegamento diretto con il carico. L‘energia viene fornita al carico dalla batteria attraverso l’inverter, che alimenta il sistema sia in presenza che in assenza di un pannello solare attivo. Vale la pena notare che i terminali per il carico, identificati con il simbolo di una lampadina sui regolatori, sono progettati per dispositivi a bassissimo consumo, come una piccola lampadina da 15 Watt in corrente continua. Per questo motivo, si consiglia di collegare i carichi direttamente alla batteria. Nel caso di carichi in corrente alternata, è necessario utilizzare un inverter, che sarà anch‘esso connesso alla batteria. Questa configurazione evita che il regolatore debba farsi carico di scollegare i dispositivi in situazioni di scarica profonda della batteria, delegando tale funzione all’inverter. Quest’ultimo dispone di una soglia di tensione minima operativa, attraverso la quale gestisce la disconnessione del carico in modo autonomo.

Per evitare di danneggiare il regolatore verificare che la corrente massima proveniente dai pannelli fotovoltaici sia inferiore a quella nominale del regolatore, che la corrente massima assorbita dal carico sia inferiore a quella nominale del regolatore, e che le tensioni in ingresso e uscita dal regolatore siano le stesse.

Nel caso di un regolatore PWM, il dimensionamento si basa sulla corrente che attraversa i moduli, la quale può essere ottenuta dalla scheda tecnica sotto la voce “Corrente di corto circuito (Isc)”. A esempio, se la corrente di corto circuito è di 9 Ampere per modulo e si utilizzano, come nel nostro esempio,  3 moduli in serie messi poi in parallelo come in figura.

 

La corrente totale sarà:  9x 2 = 18 A. Per garantire un margine di sicurezza, è consigliabile aumentare la capacità del 25% per compensare i picchi di tensione che possono verificarsi in giornate fredde e soleggiate. Pertanto, i 18 A diventeranno 18 * 1,25 = 22,5 A, e si potrà optare per un regolatore disponibile sul mercato, a esempio uno da 30 A.

Quando si dimensiona un regolatore di tensione MPPT, è essenziale rispettare due parametri principali:

– La tensione massima a circuito aperto del modulo fotovoltaico (Voc a STC).

– La corrente massima di cortocircuito del modulo fotovoltaico (Isc a STC).

Entrambi questi valori devono rientrare nei limiti specificati dal produttore del regolatore di carica, informazioni che possono essere reperite nella scheda tecnica del dispositivo stesso. Per determinare la tensione massima a circuito aperto (Voc), è necessario fare riferimento alla scheda tecnica del pannello solare. Se i pannelli sono collegati in serie, il valore di Voc riportato deve essere moltiplicato per il numero di pannelli nella stringa. Al contrario, se i pannelli sono collegati in parallelo, il valore Voc rimane invariato. Il risultato finale deve comunque rispettare il limite indicato dal produttore. Per maggiore sicurezza, è opportuno considerare un margine di tolleranza incrementando la capacità del 25%. Questo accorgimento serve a compensare possibili picchi di tensione che potrebbero verificarsi in condizioni climatiche particolari, come giornate fredde e soleggiate.

Nel nostro esempio useremo un regolatore MPPT  da 60 Ampere, 24 Volt, che è in grado di inseguire costantemente il punto di massima potenza che il pannello fotovoltaico è in grado di generare in quel momento, a seconda dell’irraggiamento solare. 

Un altro aspetto da considerare è la tensione di carica, che può essere di 12, 24 o 48 Volt. La maggior parte dei regolatori di carica è in grado di gestire queste tensioni, selezionando quella appropriata al momento del collegamento del banco batterie.

Nel nostro esempio i parametri che dovranno essere tenuti in considerazione per dimensionare il regolatore di carica saranno:

– La tensione massima a circuito aperto del modulo fotovoltaico (Voc a STC) : Tensione Voc dei moduli : 36,6 * 3= 109,8 * 1,25=137,25 Volt

La massima tensione Voc supportata dal regolatore è di 150 Volt superiore alla tensione massima Voc dei moduli (137,5 Volt), condizione rispettata.

– La corrente massima di cortocircuito del modulo fotovoltaico (Isc a STC): Corrente Isc dei moduli : 9 * 2= 18 Ampere * 1,25= 22,5 A

La corrente massima supportata dal regolatore è di 60 Ampere superiore alla corrente massima Isc dei moduli (18 Ampere), condizione rispettata.

DIMENSIONAMENTO DELL’INVERTER

Per poter alimentare gli apparati devo trasformare la corrente continua in alternata e per fare questo utilizzerò un Inverter.

Il dimensionamento viene fatto in base alla potenza massima richiesta dall’utenza, tenendo conto degli spunti. Nel nostro caso se funzionano contemporaneamente tutti gli apparati si avrebbero 375 Watt senza spunti.

• 2 Lampade:           10 Watt
• 2 Computer :     260 Watt
• 1 Router:                  20 Watt
• 1 Stampante:       55 Watt
• 1 Switch:                30 Watt
• TOTALE:               375  Watt

Ne sceglierò uno da 600 Watt.

SCHEMA GENERALE IMPIANTO FOTOVOLTAICO IN ISOLA

L’impianto fotovoltaico è composto da uno o più pannelli solari, da un regolatore di carica, dalle batterie, e dall’inverter.

L’energia prodotta dall’impianto fotovoltaico viene accumulata nel pacco batterie.

L’energia accumulata verrà utilizzata per alimentare il carico anche quando il sistema fotovoltaico non produce energia.

Questi impianti fotovoltaici non necessitano di nessuna autorizzazione verso il GSE (Gestione Servizi Energetici).

RIASSUNTO

L’impianto fotovoltaico è formato da 6 pannelli fotovoltaici da 230 Wp ognuno, per una potenza nominale totale di 1380 Wp; un regolatore di carica MPPT da 60 Ampere; batterie da  400 Ah; e un inverter da 600 Watt.

CAVI FOTOVOLTAICO

Il cablaggio elettrico avverrà per mezzo di cavi con conduttori isolati in rame con le seguenti prescrizioni:

• Sezione delle anime in rame calcolate secondo norme CEI-UNEL/IEC
• Tipo FG21 se in esterno o FG16 se in cavidotti su percorsi interrati
• Tipo FS17 se all’interno di cavidotti di edifici

Inoltre i cavi saranno a norma CEI 20-13, CEI20-22II e CEI 20-37 I, marchiatura I.M.Q., colorazione delle anime secondo norme UNEL.

Per non compromettere la sicurezza di chi opera sull’impianto durante la verifica, o l’adeguamento, o la manutenzione, si deve rispettare la seguente colorazione:

Conduttori di protezione: giallo-verde (obbligatorio)

Conduttore di neutro: blu chiaro (obbligatorio)

Conduttore di fase: nero / marrone

Il conduttore per circuiti in corrente continua dovrà avere indicato chiaramente il segno “+” per il positivo, e si potrebbe usare un cavo di colore rosso,

e il segno “–“ per il negativo; e si potrebbe usare il colore nero.

Per il nostro esempio utilizzeremo dei cavi da 6 mm², dal generatore fotovoltaico al regolatore di carica e potrebbero essere tipo S1Z2Z2-K.

Ora verifichiamo se la portata del cavo è in grado di sopportare la corrente circolante.

La portata di un cavo (Iz) se i due cavi sono posati in fascio nel medesimo tubo alla temperatura massima di funzionamento di 70°C (la temperatura di riferimento è 30°C) e la temperatura massima di isolamento 120 °C, vale:

Iz= k1*k2*Io = 0,74*0,8*0,9*44 A= 23,4 A

 Dove:

 k1= fattore di correzione per la temperatura di 70°C, diversa da 30°C

k2= 0,8 fattore di correzione per due circuiti in fascio (vedi tabella norma Cei-Unel 35024/1)

 0,9= riduzione della portata del 10% per posa in tubo (e non in aria),

Io= 44 A che è la portata del cavo di 6 mm² in aria libera alla temperatura di 30°C (vedi tabella).

Per cui la portata Iz =23,4 A del nostro impianto è maggiore della corrente di cortocircuito Isc massima delle stringhe che è di 18 A.

 CADUTA DI TENSIONE

 La caduta di tensione (∆V) del cavo tra il generatore fotovoltaico e il regolatore di carica deve essere inferiore al 2%, per cui verifichiamo utilizzando la seguente formula:

Dove: ρ1= resistività del rame 0,0175 Ωmm²/m a 30 °C; per i cavi di stringa si assume la temperatura di 70°C a cui corrisponde ρ2= 0,0175 (1 + 0,004 (70-30))= 0,021 Ωmm²/m, s= sezione del cavo. Vmp = tensione totale del FV; Pmax= potenza totale del FV.

Per prima cosa verifichiamo la lunghezza dei cavi di sezione 6 mm² fino al quadro elettrico sezione c.c.:

• Le connessioni tra i moduli di stringa (L1)= 6(1+0,5)m=9 m

CAMPO FOTOVOLTAICO

• Il collegamento tra la stringa e il regolatore di carica (L2) = 2 x 7=14 m (è stata considerata la stringa inferiore che presenta il collegamento più lungo= 7 m e si riferisce alla lunghezza del cavo tra il modulo più esterno della stringa e il regolatore di carica).

La caduta di tensione ∆V%, quando i moduli erogano la potenza massima Pmax= 1380 Watt, e una tensione Vmp di 85,2 V, e utilizzando la seguente formula si ricava:

Caduta di tensione dell’1,43% inferiore al massimo consentito del 2%.

CAVO DAL REGOLATORE DI CARICA ALLA BATTERIA

In linea generale si potrebbe calcolare la sezione di un cavo, conoscendo la sua lunghezza totale (andata e ritorno), la corrente che lo attraversa, e la caduta di tensione, e la resistività, applicando la seguente regola:

Dove: S è la sezione in mm²;  ρ è la resistività del materiale (Ω∙mm²/m); ∆V è la caduta di tensione (V); I è la corrente che lo attraversa (A), L è la lunghezza complessiva del cavo (andata e ritorno) espressa in metri (m).  

Oppure verifichiamo la portata del cavo che vogliamo utilizzare che nell’esempio sarà: N1VV-K UE 0,6/1 KV 

Cavo per energia, isolato in PVC sotto guaina di PVC, non propagante l’incendio e a ridotta emissione di gas corrosivi, con particolari caratteristiche di reazione al fuoco e rispondente al Regolamento Prodotti da Costruzione (CPR).

La portata dovrà essere almeno di 60 Ampere per cui guardando i dati della tabella la sezione sarà di 16 mm². Così pure i cavi che dal regolatore si collegano all’inverter avranno una sezione di 16 mm².

Infine, per collegare l’uscita dell’inverter alle prese di corrente userò un cavo tripolare da 1,5 mm² tipo FG16OR16 (la portata del cavo da 1,5 mm² è di 20 A ed essendo la corrente transitante nel cavo è di 2,6 A è più che sufficiente I=P/V=600/230=2,6 A).

Cavi multipolari per energia, isolati con gomma G16, sotto guaina di PVC, con conduttori flessibili per posa fissa. Non propaganti l’incendio, a ridotta emissione di alogeni (gas corrosivi).

 

MESSA A TERRA

Il campo fotovoltaico sarà gestito come sistema IT, ovvero con nessun polo connesso a terra.

In questi tipi di impianto le parti attive risultano isolate da terra, mentre le masse sono connesse a terra. Per ragioni di sicurezza l’impianto di terra del sistema fotovoltaico risulta essere in comune quello dell’utilizzatore. Tuttavia se si vuole che il dispositivo di controllo dell’isolamento dell’inverter funzioni, per monitorare il generatore FV, occorre collegare a terra le cornici e/o le strutture di supporto dei moduli anche se di classe II.

 

Cavo di messa a terra N1VV-K UE 0,6/1 KV da 6 mm².

 

PROTEZIONI DA CORTOCIRCUITI, SOVRACCARICHI, E SOVRACORRENTE

Anche se si tratta di un impianto di dimensioni ridotte, è di fondamentale importanza garantire l’installazione di dispositivi adeguati al sezionamento e la protezione contro le sovracorrenti su tutti i componenti dell’impianto stesso (in linea generale una sovracorrente è una corrente superiore alla portata del cavo e può avvenire per un sovraccarico in un circuito elettricamente integro, o dovuto a un cortocircuito che può essere provocato da un guasto). Questi dispositivi non solo assicurano il corretto funzionamento del sistema, ma proteggono anche componenti e persone da eventuali danni derivanti da malfunzionamenti o situazioni di sovraccarico. In senso generale, una situazione di sovracorrente si verifica quando la quantità di corrente che attraversa il cavo supera la sua capacità nominale. Tale evento può essere causato sia da un sovraccarico in un circuito altrimenti in buone condizioni elettriche, sia da un cortocircuito originato da un guasto. Per prevenire queste eventualità, è essenziale dimensionare correttamente la sezione del cavo di ciascuna stringa dell’impianto in modo da supportare senza difficoltà le condizioni di corrente più gravose.

Generalmente, si consiglia di considerare una corrente massima pari a 1,25 volte la corrente di corto circuito (1,25 * Isc). Questo approccio riduce significativamente il rischio di sovraccarichi. In presenza di un impianto con un massimo di due stringhe, si può adottare la stessa logica, il che potrebbe rendere superflua l’installazione di ulteriori dispositivi di protezione.

Passando alla gestione delle sovracorrenti mediante fusibili, è consigliabile seguire criteri specifici per il loro dimensionamento.

I fusibili possono essere cilindrici o a coltello, aventi caratteristica di intervento gPV (g = a pieno campo per uso generale; PV= protezione fotovoltaico), tensioni nominali fino a 1500V DC e correnti nominali fino a 500A; inoltre dovrebbero avere la possibilità di essere monitorati a distanza l’avvenuto intervento tramite appositi dispositivi di segnalazione.

In linea generale per selezionare i fusibili, esempio per la protezione delle stringhe, anche se si dovrebbe tener conto di tutti i parametri con uno studio a fondo, si possono utilizzare i seguenti criteri:

• moltiplicare la corrente Isc per 1,25
• moltiplicare la tensione Voc per 1,2

I valori ottenuti coprono la maggior parte delle variazioni di corrente e tensione dell’impianto.

Per evitare interventi intempestivi per proteggere il modulo, in assenza delle indicazioni da parte del costruttore, si assume In ≤ 2 Isc.

I risultati ottenuti in base a questi calcoli sono in grado di coprire efficacemente la maggior parte delle fluttuazioni di corrente e tensione che possono verificarsi durante il funzionamento del sistema.

Di norma, per tutti gli impianti fotovoltaici che hanno tre o più stringhe collegate in parallelo, viene consigliata una protezione per ciascuna stringa,

Nell’esempio qui discusso, saranno utilizzati dispositivi sia per il sezionamento sia per la protezione contro le sovracorrenti.

Nello specifico, verranno impiegati interruttori magnetotermici e fusibili, adattati alle necessità del sistema.

Gli interruttori magnetotermici sono progettati per sostenere una specifica corrente nominale (In), che rappresenta il valore continuo che può circolare attraverso il dispositivo senza problemi a una temperatura ambiente standard. Tale valore è indicato direttamente sul dispositivo, e qualora si discosti dalle condizioni standard a 30 °C, viene riportata l’indicazione specifica.

I modelli più comuni di interruttori magnetotermici disponibili sul mercato offrono valori nominali quali:

6 A, 10 A, 13 A, 16 A, 20 A, 25 A, 32 A, 40 A, 50 A, 63 A, 80 A, 100 A e 125 A.

Un aspetto fondamentale è l’installazione di un interruttore magnetotermico specifico per corrente continua tra il pannello fotovoltaico e il regolatore di carica.

Questo dispositivo svolge una duplice funzione: permette di isolare l’impianto elettrico in modo sicuro durante eventuali interventi di manutenzione e protegge l’intero sistema da possibili sovracorrenti. Nel caso descritto in questa configurazione specifica, il magnetotermico in corrente continua deve avere una corrente nominale calcolata sulla base del valore 1,25 * Isc. Considerando un valore della corrente  di cortocircuito Isc pari a 18 A, ne consegue un valore risultante pari a: 18*1,25= 22,5 A, che sarà opportunamente arrotondato a un interruttore con In di 25 A.

Per quanto riguarda il fusibile inserito tra il regolatore di carica e la batteria per proteggerne i cavi da sovracorrenti indesiderate, è necessario selezionarne uno che abbia lo stesso valore di portata nominale in Ampere del regolatore stesso.

Nel nostro caso pratico, sarà quindi previsto un fusibile con una capacità nominale pari a 60 A.

Infine, concentrandoci sul lato della corrente alternata, è essenziale installare un ulteriore interruttore magnetotermico tra l’uscita a 230 Volt dell‘inverter  e la linea elettrica domestica cui sono collegate le prese. La portata nominale di tale dispositivo deve essere calcolata sulla base della potenza (Watt) dell’inverter ed alla tensione di uscita (Volt), secondo la formula A=W/V (nel nostro caso per un inverter da 600 Watt di potenza, con uscita a 230 Volt, occorre un interruttore magnetotermico da 2,6 Ampere (A=W/V= 600/230=2,6A) e ne utilizzerò uno con In di 6 A).

COMMUTATORE 24/48 V, DA SOLARE A RETE ELETTRICA

In generale, l’installazione di un commutatore 24/48 V tra un impianto fotovoltaico in modalità isolata (off-grid) e la rete elettrica richiede attenzione a diverse normative e standard di sicurezza.

Ecco alcuni punti chiave da considerare:

1. Normative e regolamentazioni locali:
   Le norme nazionali e regionali devono essere rispettate. In Italia, ad esempio, il collegamento di impianti fotovoltaici alla rete elettrica è regolamentato dal GSE e dal Gestore di Rete, e richiede autorizzazioni specifiche.
2. Tipo di impianto:
   • Impianto in modalità isolata (off-grid): tipicamente non prevede collegamenti diretti alla rete elettrica, e può utilizzare commutatori o dispositivi di selezione per cambiare fonte di alimentazione.
   • Impianto connesso in rete: deve rispettare regolamenti di connessione, dispositivi di protezione e sistemi di interfaccia conformi alle normative di rete.
3. Compatibilità del commutatore:
   • Un commutatore 24/48 V è generalmente destinato a sistemi a bassa tensione (ad esempio, sistemi di accumulo o applicazioni di domotica).
   • La commutazione tra impianto fotovoltaico in isola e rete elettrica dovrebbe essere effettuata tramite dispositivi certificati e conformi alle norme di sicurezza, come interruttori di trasferimento automatici (ATS) o dispositivi di commutazione appositamente progettati per questo scopo.
4. Sicurezza e conformità:
   È fondamentale che qualsiasi dispositivo di commutazione sia installato da professionisti qualificati, con componenti certificati e in conformità con le norme CEI (Comitato Elettrotecnico Italiano) e le direttive europee.

Conclusione:
L’uso di un commutatore 24/48 V tra un impianto fotovoltaico in isola e la rete elettrica può essere consentito, ma solo se:

• È conforme alle normative di sicurezza e alle normative tecniche applicabili.
• È installato con dispositivi certificati e da personale qualificato.
• È previsto un sistema di interblocco e protezione adeguato.

Fatta questa doverosa premessa, per chiudere il cerchio del mio progetto, solo a livello informativo, vi descrivo la possibilità, nel caso che il regolatore di carica  scolleghi le batterie in quanto scariche: a esempio nei mesi invernali quando i giorni senza sole superino quelli che abbiamo stabilito, di evitare di trovarvi senza energia. Una soluzione può essere quella di installare un Commutatore che permette di deviare automaticamente il prelievo di corrente: passando dalle batterie alla rete elettrica esterna, e quando si saranno ricaricate, o il gruppo fotovoltaico avrà ripristinato le sue capacità di fornire energia, scollegherà la corrente elettrica prelevata esternamente.
Si specifica che l’energia non viene mai immessa nella rete elettrica, ma viene solo prelevata quando serve.

COME FUNZIONA IL COMMUTATORE

Il regolatore di carica , oltre ad assolvere le funzioni di controllo della carica/scarica delle batterie, viene utilizzato per comandare automaticamente la commutazione tra l’inverter e la rete elettrica esterna, grazie al fatto che ai morsetti d’uscita del regolatore (contrassegnati dal simbolo della lampadina) è presente una tensione in grado di attivare la bobina del relè del commutatore soltanto se le batterie dell’impianto risultano avere un valore di tensione di carica sufficiente, se invece scende sotto un predeterminato valore, il regolatore di carica interrompe la tensione ai morsetti d’uscita disattivando la bobina del commutatore, generando la deviazione del prelievo di corrente da batterie a rete elettrica esterna.

QUANDO IL REGOLATORE DI CARICA RICEVE ENERGIA DALLE BATTERIE

QUANDO IL REGOLATORE DI CARICA NON RICEVE ENERGIA DALLE BATTERIE

 

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