COME REALIZZARE UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO DOMESTICO (CALCOLO TEORICO)

L’impianto fotovoltaico è un impianto elettrico costituito da uno o più pannelli solari che sfruttano l’irraggiamento solare per produrre energia elettrica mediante effetto fotovoltaico.

Ogni pannello solare è formato da tante celle solari  (o celle fotovoltaiche).

 

Il materiale delle celle solari possono essere in Silicio Amorfo, Policristallino o Monocristallino. E prossimamente in Grafene.

Il modulo in Silicio Amorfo non è paragonabile, in senso estetico, a quelli in Policristallino o Monocristallino in quanto il silicio viene depositato in modo uniforme e in pochissima quantità (lo spessore è di qualche millesimo di millimetro) su una superficie di plastica o su vetrate, anche se, a parità di potenza nominale, si deve usare più moduli. I moduli sono disponibili nella tradizionale struttura rigida,

o in rotoli flessibili.

Questa tecnologia è consigliata dove si predilige l’estetica alla produzione di energia, che è più bassa rispetto al Policristallino o Monocristallino, compensata però dal costo: dal 30% al 40% in meno, e sono poco sensibili alle ombre.

Le celle Monocristalline sono di colore blu scuro e hanno i bordi smussati, queste sono costituite da cristalli di silicio monocristallino tutti orientati nella stessa direzione. Ed è per questo che la produzione di energia è maggiore quando i raggi del sole sono perpendicolari, avendo bisogno di una superficie inferiore per produrre la stessa quantità di energia degli altri sistemi, anche se sono più costosi.

I pannelli di silicio Policristallino sono meno costosi di quelli mono. Le celle, di un colore blu vivo, sono costituite da silicio policristallino orientate in modo casuale, questo fa sì che la resa sia meno efficacie rispetto al mono, ma sfruttano meglio i raggi solari nell’arco della giornata.

 

Le celle solari possono essere collegate in serie o in parallelo, e le  loro dimensioni variano a secondo i modelli.

Se sono collegate in serie le tensioni (Volt) si sommano, per cui la tensione totale Vt= V1+V2+V3, ecc. mentre la corrente si manterrà costante.

Se sono collegate in parallelo è la corrente  a sommarsi, per cui la It=I1+I2+I3,ecc., mentre la tensione rimane costante.

Se avessimo bisogno di un pannello solare che eroghi 12 Volt  in uscita: quante celle solari servirebbero?

Come esempio prendiamo in considerazione una cella  la cui dimensione è di 8×15 cm, che fornisce con il massimo irraggiamento una tensione di 0,5 Volt, una corrente di 0,5 Ampere e una potenza di 0,25 Watt.

Se le celle solari sono collegate in serie le tensioni si sommano, e se ognuna genera 0,5 Volt,  ne servono 24 (12/0,5= 24).

DIODO BYPASS

diodi bypass sono usati in ogni modulo fotovoltaico e all’interno delle singole celle solari. Servono a far transitare la corrente in ogni stringa dei pannelli messi in serie anche in presenza di una cella o un modulo non colpito dai raggi solari, evitando così la perdita di energia e impedire che la corrente inversa danneggi la cella stessa.

 

COME DIMENSIONARE UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO CASALINGO (CALCOLO TEORICO)

Per realizzare un impianto fotovoltaico si deve tenere conto dei seguenti parametri:

  • L’energia richiesta
  • Capacità della batteria
  • Potenza del pannello solare
  • Regolatore di Carica
  • Dimensionamento dell’Inverter.
  • Sezione dei cavi elettrici

ENERGIA RICHIESTA

Il primo parametro da tenere presente quando si vuole realizzare un impianto fotovoltaico ad uso casalingo è il fabbisogno medio di energia giornaliera. Per fare ciò dobbiamo sapere come passare dalla potenza all’energia Per semplificare possiamo considerare l’energia come la capacità della potenza.

Un esempio: se teniamo accesa per un’ora una lampadina di 50 W quanta energia serve? Basta moltiplicare i Watt per il tempo: 50W * 1 ora= 50 Wh (Il Watt/ora è la grandezza che di solito troviamo nella bolletta elettrica).

Per rendere più semplice il calcolo del consumo possiamo sommare le potenze  in Watt (parametro che indica la potenza necessaria a farli funzionare) indipendentemente dalla tensione e dalla corrente.

Riassumendo i due concetti possiamo affermare che una lampadina da 50 Watt tenuta accesa per un’ora consumerà 50 Wh, se ne teniamo accese due con la stessa potenza per un’ora avremo un consumo totale di 100 Wh indipendentemente che una sia alimentata a 220 V o a 12 V.

ESEMPIO DI DIMENSIONAMENTO 

Si vuole  alimentare un Televisore, un Computer portatile, uno Stereo, un Decoder, una Playstation, e ricaricare uno Smartphone (il consumo in Watt lo trovo scritto nell’etichetta sotto l’apparato o sul libretto di istruzione).

Calcoliamo i consumi :

  • Televisore :        150 Watt
  • Computer :         30   Watt
  • Smartphone:      26 Watt
  • Stereo:                   60 Watt
  • Decoder:               20 Watt
  • Playstation 3: 185 Watt

La potenza totale per il loro funzionamento è di 471 Watt , che moltiplicato per il tempo, che stimo in 5 ore, si ottiene un fabbisogno totale di energia di 2400 Watt/Ora (2.4 Kwh). 

DIFFERENZA TRA KILOWATT E KILOWATTORA

Il kilowatt (kW) è un’unità di misura della potenza, mentre il kilowattora (kWh) è l’unità di misura dell’energia. Infatti il kilowattora è formato dai termini kilowatt e ora, e indica l’energia fornita in un’ora di tempo dalla potenza di un kilowatt.

CAPACITA’ DELLA BATTERIA

 

In teoria, se ci serve energia solo di giorno  (esempio per azionare la pompa per innaffiare il giardino oppure per il riciclo dell’acqua piovana) la batteria potrebbe essere superflua, ma se non vogliamo sprecare l’energia che produce l’impianto fotovoltaico e averla a disposizione  anche quando non arriva dal pannello solare: la batteria è indispensabile.

COME CALCOLARE LA CAPACITA’ DELLA BATTERIA

Una premessa. Le batterie immagazzinano Energia e non Potenza e l’Energia è data dalla Potenza x il Tempo e si misura in Wh o Kwh (1000 Wh). Per cui l’Energia prodotta dalla batteria dipende dai Wh (ENERGIA) e dai Watt (POTENZA) per il tempo (h) . Da cui si ricava che:

ENERGIA (Wh) = POTENZA (Watt) x Tempo (h), se è espresso in Kwh si moltiplica per 1000. Da cui si ricava che:

Wh= Watt x t = Vx I x t ( W= Vx I)

Se devo ricavare la Corrente i (Ampere)

I = Wh/V x t

Esempio. Se un apparato assorbe 2000 Watt x 1 ora, avremo un consumo di 2000 Wh = 2 Kwh di energia elettrica, e se utilizzo una batteria da 12 Volt, quanti Ampere di corrente saranno necessari.

i= Wh/Volt x t= 2000/12 x 1=166 Ah.

Terminata la premessa  ritorniamo al calcolo della capacità della batteria. 

La capacità della batteria è espressa in Ah (Ampere/ora), e per la maggior parte delle batterie a ciclo profondo è buona norma scaricarla solo a metà del livello di potenza.

Per il calcolo useremo la formula:

Ah= Wh/12Volt = 2400/12=200 Ah

Dove i 2400 Wh (Watt per ora) sono il consumo totale degli apparati che vogliamo alimentare, e 12 Volt è la tensione della batteria. Ma siccome vogliamo scaricare la batteria solo a metà livello moltiplichiamo per 2 gli Ah.

200*2= 400 Ah (che è la capacità totale della batteria)

Come esempio si possono acquistare 2 batterie da 12V e 200 Ah, collegate in parallelo.

TEMPO DI CARICA DI UNA BATTERIA

Per determinare con buona approssimazione il tempo di carica di una batteria da 12 Volt, si deve conoscere la capacità della batteria (Q) in amperora (Ah) e la capacità del carica batteria in Ampere (A).

La formula da usare per calcolare il tempo di carica di una batteria è questa:

Q=I*t 

dalla quale si ricava il tempo:

t= Q/I

dove t è il tempo in ore (h), I è la capacità del caricabatterie in Ampere (A), e Q è la capacità della batteria in amperora (Ah).

Esempio: Q= 45 Ah.  I = 15 A

t= 45/15= 3 ore

TEMPO DI SCARICA DI UNA BATTERIA

In quanto tempo si scarica la batteria quando i pannelli solari non forniscono energia ? Tenendo conto che si deve scaricare solo del 50%, si può ipotizzare che avendo a disposizione 200 Ah e se questi li dividiamo per la corrente assorbita dagli apparati, che è stimata in 11 Ampere, si avrà: 200 Ah/11= 18 ore. 

POTENZA DI UN PANNELLO SOLARE

La potenza di un pannello solare dipende dal fabbisogno di energia. Per fare questo devo sapere il consumo degli apparati che voglio alimentare con il pannello, e il tempo di irraggiamento solare.

Per il calcolo uso la formula: Potenza del pannello solare= Wh/ Ore Solari.

Se stimo una media di 6 ore solari si avrà: 2400 Wh/6= 400W.

Di pannelli solari ne servirebbero 2 da 260 W ciascuno, con una tensione di  12V o 24V . I quali forniranno una potenza fotovoltaica totale di circa 520 Watt

La corrente circolante è data dalla formula: I= W/V = 520/12= 43,3 A (che userò come parametro per il regolatore di carica o controller.  

Una cosa importante che si deve tenere in conto è in quanto tempo si carica la batteria con la potenza del pannello, e per far questo useremo la formula:

Q=I*t (Q= Capacità della batteria. I= la corrente. t= tempo)

da cui ricaviamo il tempo: t= Q/I= 520/43,3= 12 ore.

Se vogliamo portare il tempo di carica a 8 ore si  dovrà variare la Corrente:

I=W/t= 520/8= 65 A 

Per cui la potenza (P) dei pannelli dovrà essere: P= V*I = 12 * 65= 780 W (12 è la tensione in uscita dai pannelli e 65 A è la corrente stimata per la carica in 8 ore).

Per cui i pannelli devono essere 3, messi in parallelo (260 W * 3 pannelli= 780 Watt).

Con il collegamento in parallelo dei pannelli solari si sommano le potenze (Watt) e la corrente (Ampere), ma rimane invariata la tensione (Volt).

REGOLATORE DI CARICA

Il pannello fotovoltaico (pannello solare) quando viene colpito dai raggi solari produce continuamente energia elettrica a bassa tensione 12V o multipli ( 24V, ecc.,) che viene accumulata nella batteria. Ed è per questo motivo che necessita di un controllore o regolatore di carica, inserito tra la batteria ed il pannello, in quanto occorre interrompere la ricarica della batteria una volta che questa si è caricata. Il regolatore di carica dovrà sopportare una corrente di circa 65 Ache è dato dalla formula:

I= Watt/Volt= 780/12= 65 A

Dove i 780 Watt è la potenza dei pannelli solari e 12 Volt è la tensione in uscita.

DIMENSIONAMENTO DELL’INVERTER

L’energia prodotta dai pannelli solari sarà gestita con diversi ordini di priorità:

  • Si favorisce quella che proviene dai pannelli, e quando non c’è richiesta di elettricità il sistema carica le batterie, e solo quando le batterie sono cariche il sistema provvede all’immissione in rete.
  • Viceversa, quando gli apparecchi casalinghi richiedono elettricità verrà data la priorità alla produzione fotovoltaica, e quando i pannelli non producono verranno utilizzate le batterie. Quando gli accumulatori sono scarichi il sistema preleva, se è collegato, dalla rete elettrica esterna.

Per il dimensionamento dell’impianto fotovoltaico dipende da cosa devo alimentare, se voglio usarlo solo per l’illuminazione posso utilizzare le lampadine a 12 Volt, ma se voglio alimentare altri apparati devo per forza utilizzare un Inverter che trasforma la corrente continua in alternata a 220 Volt, 50 Hz.

La potenza dell’Inverter deve essere, in genere, la stessa dell’impianto. Se, ad esempio, abbiamo un impianto fotovoltaico domestico da 2,4 kW, come nel nostro caso, avremo bisogno di un Inverter da 2,5 kW: meglio da 3kW, poiché l’Inverter ha un’efficienza intorno al 90%.

L’Inverter potrebbe avere anche la funzione di scambio automatico che consente di utilizzare la rete AC (Alternating Current: corrente alternatao come generatore di corrente come backup di emergenza così da utilizzare al massimo le fonti energetiche alternative. Oppure intervenire quando manca la corrente elettrica e funzionare come UPS.

CARATTERISTICHE DEI CAVI ELETTRICI

Scegliere la sezione giusta è importante in quanto il passaggio della corrente  nel cavo produce calore e se questo non è ben dimensionato si potrebbe surriscaldare.

Le caratteristiche dei cavi usati per gli impianti fotovoltaici devono essere a norma CEI 20-91.

L’ anima del cavo è in rame e rivestita da una guaina di isolamento e deve sopportare temperature che vanno da -40 gradi a +120 gradi centigradi. I cavi devono avere una tensione nominale di 1000 Volt per la corrente alternata e 1.500 Volt per la corrente continua.

La certificazione del cavo è stampigliato sulla guaina, ad esempio la sigla “PV20” certifica che il cavo ha una durata di 20.000 ore a 120 °C.

La sezione minima non deve essere inferiore a 0,25 mm²/A, per cavi fino a 50 metri di lunghezza (norma UNEL 35023).

Possiamo dire che in linea generale la corrente non dovrebbe superare i 3 A / mm². Quindi se assorbe 20 A occorre un conduttore di 6,7 mm² (20/3=6,7).

Questo in linea generale, ora cerchiamo di capire come arrivare alla sezione del cavo più idonea partendo dai concetti di base.

La legge di Ohm mette in relazione tre grandezze elettriche: la Tensione (Volt), la Corrente (Ampere), la Resistenza (Ohm).

L’equazione è questa: V=R*I . Per cui se la resistenza al passaggio della corrente è alta, sarà alta la caduta di tensione, che dovrebbe stare in linea teorica entro il 2%, perciò più la resistenza è bassa più la caduta di tensione è bassa.

La resistenza elettrica in un cavo dipende dalla lunghezza L (espressa in metri), dalla sezione S (espressa in mm²) e dalla resistività del conduttore K (l’attitudine di un materiale a opporre resistenza al passaggio delle cariche elettriche. Nel rame è di 0,0175 ohm / metro).

La formula è: R= K*L/S

Esempio: un cavo di rame lungo 6 metri con una sezione di 4 mm² si può dire che la resistenza è di 0,027 Ohm (R=0,0175*6/4= 0,027).

Per calcolare la sezione partiamo dalla corrente che nel caso dei nostri pannelli la ricaviamo con la formula: P= V*I.

I=P/V= 780/12= 65 Ampere

La caduta di tensione la stimiamo nel 2% (2 % di 12 V=0,24)

E utilizzando la formula:

V=R*I, sostituisco la R con K*L/S e avremo: V= K*L*I/S  e ricavo la S= K*L*I/V

S= 0,0175*6*65/0,24=28,4 mm²

Esempio: se vogliamo calcolare che sezione dovrebbe avere il cavo che collega la batteria all’Inverter dobbiamo tenere conto della potenza dell’inverter (nel nostro caso: 3 Kwatt) e la lunghezza dei cavi andata e ritorno (come esempio: circa 6 metri). Per facilitare il compito useremo un programma di calcolo , e il risultato è che i cavi devono avere una sezione di 62,5 mm².

Se invece vogliamo calcolare la sezione dei cavi che partono dalle celle fino al regolatore, usando il programma di calcolo, e inserendo nei dati 780 Watt, 12 Volt4 metri, la sezione sarà almeno di 38,57 mm².

Empiricamente, se la corrente non deve superare i 3 A / mm², in questo caso la corrente è di 65 A, per cui 65 /3= 21,7   mm².

N.B.  I calcoli sono puramente teorici anche se si basano su basi tecniche approfondite e, se si intende collegare l’ impianto fotovoltaico alla linea elettrica, è necessario rivolgersi ad aziende specializzate.

NUOVI TIPI DI PANNELLI SOLARI

DA: INHABITAT

Se c’è una costante tra la stragrande maggioranza dei progetti di pannelli solari , è che la loro forma è piatta; mentre i pannelli solari possono essere dotati di inclinazione per seguire il percorso del sole nel corso della giornata, ci sono ancora limiti significativi di efficienza per questo progetto di base. I coni di spin cella fotovoltaici di V3Solar sono piuttosto eleganti e mirano a risolverlo, e il loro prototipo attuale è stato recentemente verificato da terzi in grado di generare “oltre 20 volte più elettricità di un pannello piatto statico con la stessa area di celle fotovoltaiche”. continua…