COME REALIZZARE UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO DOMESTICO (CALCOLO TEORICO)

tutto

VITO SPERONI CONSULENTE SULLE TELECOMUNICAZIONI E FOTOVOLTAICO

COME REALIZZARE UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO DOMESTICO

Un impianto fotovoltaico non connesso alla rete elettrica prende il nome di: Off Grid o a Isola.

E non essendo connesso alla rete pubblica il surplus di energia prodotta dall’impianto si può accumulare nel pacco batteria e utilizzarla nel momento del bisogno, a esempio quando il fotovoltaico non genera energia.

Vi spiegherò, dopo una introduzione generale, le basi di come progettare un impianto fotovoltaico domestico indipendentecompletamente scollegato dalla rete elettrica (a esempio dove non ci sia la rete pubblica) e lo stesso impianto progettato per prelevare energia elettrica dalla rete pubblica quando l’impianto fotovoltaico non fornisce energia o le batterie sono scariche , oppure c’è la necessità di un surplus di energia.

È dimostrato che nel caso in cui si riesca a raggiugere il 100% dell’autoconsumo la convenienza di un impianto fotovoltaico a isola (off grid) è più elevata di quella di un impianto collegato alla rete elettrica (on grid), che immette il surplus di energia in rete.

IMPIANTO FOTOVOLTAICO

In linea generale un impianto fotovoltaico a isola è normalmente composto da uno o più pannelli solari, da un regolatore di carica, dalle batterie, e dallinverter.

SCHEMA BASE DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO

PROGETTARE PICCOLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI (VERSIONE AGGIORNATA)

 

Come aiutare l’ambiente” di Vito Speroni

Libro adatto a chi frequenta la scuola elementare o medie 

          CELLA SOLARE

I pannelli solari sono composti da tante celle solari che attraverso l’Effetto Fotovoltaico trasformano la luce in energia elettrica. Le celle solari sono composte da materiale semiconduttore come il Silicio, che viene “drogato” con sostanze impure per dar luogo a Silicio di tipo P quando viene drogato con il Bario e l’Alluminio, e di tipo N quando viene inquinato con  l’Alluminio, il Fosforo e Antimonio.

        

MATERIALE DELLE CELLE SOLARI

Il materiale delle celle solari possono essere in:

  • MonocristallinoLa cella solare  è di colore blu scuro e ha i bordi smussati, ed è costituita da cristalli di silicio monocristallino tutti orientati nella stessa direzione. Per questo motivo 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.
  • Policristallino 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. I pannelli di silicio Policristallino sono meno costosi di quelli mono.
  • Silicio AmorfoIl 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, che sono disponibili anche 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.

  • In silicio amorfo con leghe di CIGS o CUdTe sono formate da un materiale semiconduttore composito a banda proibita diretta, chiamato appunto CIGS (Copper Indium Gallium (di) Selenide; ossia :(di) seleniuro di rame indio gallio). Poiché il materiale ha un elevato potere di assorbimento della luce solare, è sufficiente una pellicola (film) molto più sottile rispetto ad altri materiali semiconduttori. L’assorbitore del CIGS è depositato su un supporto di vetro, insieme a degli elettrodi per raccogliere la corrente.

  Prossimamente anche in Grafene.

OFFERTE PANNELLI SOLARI SU AMAZON

          CARATTERISTICHE DI UNA CELLA SOLARE O FOTOVOLTAICA

In generale le caratteristiche sono in funzione di queste variabili:

Le grandezze fisiche sono:

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 FotovoltaicoI 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 486072 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 solare è costituito da più stringhe connesse in parallelo.

IL COLLEGAMENTO DEI PANNELLI SOLARI

Il Generatore Fotovoltaico è un insieme di Pannelli Solari che possono essere collegati in serie, in paralleloo serie/parallelo.

COLLEGAMENTO IN SERIE

Se sono collegati in Serie (chiamata Stringa) le Tensioni (Volt) si sommano, per cui la Tensione totale Vu= V1+V2+V3, ecc. mentre la Corrente totale si adegua a quella del modulo che genera meno corrente (in teoria  rimane costante).  Aumentando la Tensione si hanno meno perdite di energia lungo i cavi.

Se dovessimo avere dei pannelli solari con tensione uguale e corrente diversa non possiamo collegarli in serie ma possiamo farlo in parallelo.

 

COLLEGAMENTO IN PARALLELO

Se sono collegati in Parallelo è la Corrente  a sommarsi, per cui la Iu=I1+I2+I3,ecc., mentre la Tensione rimane costante.

COLLEGAMENTO IN PARALLELO DI PANNELLI CON PARAMETRI DIVERSI

Si possono collegare in parallelo due pannelli solari se hanno una tensione uguale e diversa corrente. La  potenza  sarà data dalla tensione  (che rimane la stessa) per la somma della corrente  dei due rami. La formula della potenza è P=V*I.

Se i due pannelli avessero sia la tensione che la corrente diversa, e per cui anche la  potenzanon sarebbe possibile collegarli in parallelo, in quanto il pannello con la tensione più bassa si comporterebbe come un carico, assorbendo corrente invece che generarla.

Se avessimo un pannello fotovoltaico da 12 Volt e due da 6 Volt sarebbe possibile collegarli mettendo quelli a 6 Volt in serie, e in parallelo con quello a 12 Volt, anche se l’efficienza non sarebbe l’ideale. Per cui quando colleghiamo i pannelli in parallelo controlliamo sempre la tensione.

Una nota importante: se mettete i pannelli in serie o in parallelo la Potenza è sempre la stessa ( Potenza : P=V*I se aumenta la tensione diminuirà la corrente e viceversa).

Per questo motivo collegheremo i pannelli in serie per ottenere la tensione desiderata, e in parallelo per aumentare la  corrente, e raggiungere così la potenza prefissata del sistema.

Nei collegamenti in parallelo bisogna prestare attenzione alla corrente che potrebbe diventare troppo elevata, se supera i 70 Ampere potrebbe danneggiare sia i pannelli che l’impianto, un sistema per evitare questo problema è quello di collegarli in serie/parallelo.

COLLEGAMENTO SERIE/PARALLELO

Nella maggior parte degli impianti fotovoltaici si utilizza una combinazione di collegamenti in serie/ parallelo in modo di incrementare sia la tensione che la corrente.

Nella pratica si utilizza una o più stringhe di pannelli connessi in serie per accrescere la tensione in uscita, e se queste  stringhe vengono collegate fra loro in parallelo aumenteranno la corrente e come conseguenza la potenza di uscita in Watt.

Se, per fare un esempio, volessimo collegare in parallelo sei pannelli solari con una tensione di 12 Volt e 6 Ampere ognuno, avremo la stessa tensione ma una corrente di 36 Ampereabbastanza alta.

Per risolvere il problema della corrente si potrebbe fare tre stringhe di due pannelli in serie e poi metterle in parallelo. Così facendo la corrente si abbassa a 18 Ampere

E il calcolo è fatto in questo modo: la corrente totale è data dalla somma  della corrente che transita in ogni stringa (essendo i moduli della stringa in serie è la stessa: A) : I1+I2+I3=6 x 3= 18 A, e la  tensione totale del campo fotovoltaico è quella equivalente alla tensione generata da una singola stringa che equivale a 24 V (si somma la tensione dei due pannelli fotovoltaici: 12+12=  24 V).

La potenza totale teorica dell’impianto fotovoltaico è pari alla tensione totale del fotovoltaico moltiplicato per la corrente totale (P=Vu*Iu=  (24*18= 432 Watt). 

Sintetizzando, il numero di moduli che possono essere collegati in serie è abbastanza limitato, per questo motivo per avere maggiore Potenza possiamo collegare in parallelo più stringhe, collegando il polo positivo di una stringa con il polo positivo della seconda e così di seguito, e questo vale anche per il polo negativo. In questo caso, la Potenza totale sarà la somma delle singole potenze. 

DIODO BYPASS

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.

DIODI DI BLOCCO

Il Diodo di Blocco o di Stringa non svolge lo stesso compito del diodo di By-Pass ma serve per impedire che la stringa “danneggiata” venga attraversata dalla corrente inversa.

NUOVI TIPI DI PANNELLI SOLARI COME QUELLE REALIZZATE IN PEROVSKITE 

KIT ILLUMINAZIONE SOLARE SU AMAZON

COME DIMENSIONARE UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO CASALINGO NON COLLEGATO ALLA RETE ELETTRICA (CALCOLO TEORICO)

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.

PER PROGETTARE UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO SI DEVE TENERE CONTO DEI SEGUENTI PARAMETRI

È sottinteso che si è provveduto al sopralluogo per accertare che ci sia un’area disponibile per la posa del sistema FV e valutato che non ci siano fenomeni di ombreggiamento come alberi, case, pali, ecc.

FABBISOGNO DI ENERGIA GIORNALIERA

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.

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.

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 Router1 stampante1 Switch2 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.

Calcoliamo i consumi teorici:

Il Computer Portatile è un modello di dimensioni superiori o dalle prestazioni elevate (normalmente non supera i 50 Watt).

La potenza totale contemporanea per il loro funzionamento è di 375 Watt , e il fabbisogno totale di energia è di 1660 Wattora che approssimiamo a 1700 Wattora (1,7 kWh).

(Vedi differenza tra kW e kWh)

CALCOLO DELLA POTENZA DEL FOTOVOLTAICO 

Per prima cosa bisogna stabilire il periodo di utilizzo:

  • solo estivo,
  • solo inverno,
  • tutto l’anno.

Dopo di che consultare le tabelle o usare il simulatore ENEAPVGIS per verificare l’Irraggiamento in kWh/m² anno e ricavare le ore sole equivalenti giornaliere (hse/g).

IRRAGGIAMENTO

  • L’irraggiamento annuo a Milano è di circa 1405 kWh/m² ( dati ENEA su un piano inclinato di 30°)se lo divido per 365 giorni avrò un irraggiamento medio di 3,85 kWh/m² giorno  che corrispondono a 3,85 hse/g (ore di sole equivalenti giorno).
  • L’irraggiamento annuo a Roma è di circa 1653 kWh/m² ( dati ENEA su un piano inclinato di 30°)se lo divido per 365 giorni avrò un irraggiamento medio di 4,53 kWh/m² giorno  che corrispondono a 4,53 hse/g (ore di sole equivalenti giorno).
  • L’irraggiamento annuo a Palermo è di circa 1732 kWh/m² ( dati ENEA su un piano inclinato di 30°)se lo divido per 365 giorni avrò un irraggiamento medio di 4,75 kWh/m² giorno  che corrispondono a 4,75 hse/g (ore di sole equivalenti giorno).

Concludendo: le ore sole medie giornaliere (hse/g) al nord saranno 3,85; al centro 4,53; al sud 4,75.

I pannelli fotovoltaici devono essere rivolti a SUD, e posizionati in modo da ricevere l’irraggiamento solare per più tempo possibile. Anche l’inclinazione rispetto al suolo ha un’importanza fondamentale (per calcolare l’inclinazione in funzione della posizione vedere la formula), a esempio: con un’inclinazione di 60° si sfrutta meglio i raggi del sole nel periodo invernale, e con 20° nel periodo estivo; una media che vale per tutto l’anno è circa del 30°. Certo che se fosse possibile variare l’inclinazione a seconda della stagione sarebbe il massimo.

La Potenza Nominale del Fotovoltaico (Wp) al lordo delle perdite di sistema sarà data dall’Energia giornaliera richiesta diviso le ore sole.

La regola è la seguente:

Dove: PL=Potenza teorica in WpWh=Energia totale  degli apparati; hse/g = ore sole equivalenti giorno.

Nel nostro caso prenderemo come esempio un impianto installato al nord:

Come detto in precedenza dalla Potenza teorica (PL) bisogna togliere le perdite di sistema:

TOTALE DELLE PERDITE = 36%

L’efficienza totale sarà: 100%-36%= 64%. Per cui la Potenza Effettiva del Fotovoltaico (PFV) dovrà essere incrementata della perdita, e sarà:

dove: PFVpotenza del fotovoltaico, unità di misura WpPL=potenza lordaη sistemaefficienza effettiva (64%).

Nel nostro caso sarà:

Per il calcolo totale  della potenza utilizzate questa semplice regola:

PFVPotenza effettiva del fotovoltaico in WpWhwattora utilizzati hse/g = ore di sole medie giornaliere0,64 =è l’efficienza effettiva del pannello (64%) ed è data dalle perdite di sistema (36%).

Nel nostro caso:

Per avere la certezza che l’impianto fotovoltaico, non collegato alla rete elettrica, fornisca l’energia necessaria per alimentare gli apparati bisogna moltiplicare la Potenza in Watt dei pannelli per le ore di sole equivalenti giorno (hse/g).

  EP  * ore sole

E= Energia totale fotovoltaico (Wh);  P= potenza fotovoltaico. 

Per cui la produzione energetica giornaliera dell’impianto del nostro progetto sarà:  

E=700 Watt * 3,85= 2700Wh giorno (2,7 kWh).

A questo punto verificheremo che i consumi elettrici giornalieri siano inferiori alla produzione in Wh dei pannelli fotovoltaici.

Nel nostro caso i consumi sono 1700 Wh (1,7 kWh) per cui l’energia fornita dal fotovoltaico, di 2700 Wh, è superiore: ed è corretto

Ma il calcolo è stato fatto con l’irraggiamento di 3,85 ore sole che è una media annuale, se vogliamo essere pignoli al massimo e avere la certezza che il nostro impianto fotovoltaico a isola sia in grado di fornire l’energia necessaria anche nelle condizioni peggiori che è l’inverno, e l’impianto si trova a Milano, dovremo consultare la tabella dell’irradianza di Milano nel periodo di Dicembre, Gennaio, Febbraio, dove le ore di sole medie giornaliere sono: 1,20-1,53-2,38 per cui la media nei tre mesi sarà 1,7 ((1,20+1,53+2,38)/3=1,7)). 

Rifacendo i calcoli con l’irraggiamento invernale risulterà che la produzione giornaliera del fotovoltaico sarà:

700 Watt*1,7 ore sole= 1190 Wh

Che non sono sufficienti, per cui, una soluzione è quella di installare un pannello in più, portando la potenza a 1000 Watt .

Il risultato sarà:

1000 Watt * 1,7= 1700 Wh,

Che sono esattamente quelli usati dalle utenze (Produzione fotovoltaico 1700 Wh = al consumo elettrico di 1700 Wh).

Riassumendo: se l’impianto fotovoltaico è utilizzato solo in primavera/estate/autunno è sufficiente una potenza di 700 W, se deve essere usato per tutto l’anno è necessario una potenza di 1000 W (1 kW).  

CALCOLO AUTOMATICO DELLA POTENZA NOMINALE DEL FOTOVOLTAICO (Wp)

SCELTA DELLA TENSIONE DEL FOTOVOLTAICO IN FUNZIONE DELLA POTENZA

La Tensione e la Corrente, lato continua, viene scelta in base alla Potenza del Fotovoltaico

Esempio:

  • Fino a una Potenza effettiva di 200/300 Wp si possono usare dei pannelli solari a 12 Volt .
  • Da 200/300 Wp fino a 1.000/1200 Wp si possono usare i pannelli solari a 24 Volt
  • Da 1000/1200 fino a 3000 Wp si possono usare i pannelli solari a 48 Volt.

I Pannelli Solari disponibili con la tensione a 12 Volt sono di 50, 60, 70, 80, 120 Wp.

i Pannelli Solari disponibili con una tensione a 24 Volt  sono di 35, 50, 80, 100, 150, 200, 250 Wp.

Nel nostro esempio, per una Potenza di 1000 Wp possiamo dimensionare la Tensione a 12 o 24Volt:

Con una tensione a 12Volt la Corrente circolante sarà 83Ampere.

Con  una Tensione di 24Volt, sarà di 42 Ampere.

I=PFV/V=750/12= 83 A

I=PFV/V=750/24=42 A

Per il nostro caso potremmo usare Stringhe da 2 moduli ciascuna in parallelo.

Ogni modulo avrà una Potenza di 250 Watt e una tensione di 12 Volt in Silicio Monocristallino ad alta efficienza.

La Potenza totale sarà uguale a: 1000 Watt e la Tensione di 24 Volt.  

CARATTERISTICHE DEL MODULO FOTOVOLTAICO

Potenza Massima (Pmax)250WpCorrente MPP5,95 ATensione MPP (Vmax):42 VCorrente di corto circuito (Isc)6,15 ATensione Circuito Aperto (Voc)49,40 VTensione di isolamento:715 VNOCT (800 W/ m²- 20°C-AM 1,5): 47°CDimensioni (mm) 1580 x 808 x 35Peso 16 Kg; Celle 72  (in silicio monocristallino ad alta efficienza).

Nella maggioranza dei casi i Moduli Fotovoltaici sono dotati, oltre alla scatola di giunzione contenente i diodi By-Pass, anche i cavi, e i Connettori per il cablaggio MC4, che è maschio per uscita positiva (+) e femminaperuscita negativa(-).

Per collegamenti di pannelli fotovoltaici in parallelo si usano connettori di parallelo(Y). E per finire i  connettori con diodo di blocco o di stringa.

CONNETTORI MC4

CON FUSIBILE

CON DIODO DI BLOCCO O DI STRISCIA

PANNELLI FOTOVOLTAICI COLLEGATI IN SERIE  CON DIODO DI BLOCCO

PANNELLI FOTOVOLTAICI COLLEGATI IN PARALLELO CON DIODO DI BLOCCO

PANNELLI SOLARI SU AMAZON.IT

REGOLATORE DI CARICA 

La Tensione in uscita dal pannello solare non è regolare e può essere anche elevata. Per questo motivo è necessario un  regolatore di carica.

Il regolatore ha di solito tre collegamenti:

  • il primo è l’ingresso dei cavi provenienti dal fotovoltaico (alcuni hanno il disegno di un sole),

  • il secondo è l’uscita verso la batteria (es. disegno della batteria)

Il regolatore di carica viene inserito tra il pannello solare e la batteria, ed è fondamentale negli impianti fotovoltaici con accumulo.

 

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.

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

DIMENSIONAMENTO

Il dimensionamento dipende dal tipo di apparato che intendiamo usare: PWM o MPPT.

Se utilizzassimo un regolatore di carica di tipo PWM dobbiamo verificare la corrente totale di cortocircuito dei moduli o del modulo (Isc) che trovate nella scheda tecnica (la corrente Isc nei pannelli in serie rimane la stessa, in quelli in parallelo si sommanoche deve essere sempre inferiore alla corrente massima (A) che può sopportare il regolatore di carica.

Se utilizzassimo un regolatore di carica di tipo MPPT la portata viene calcolata tenendo conto della Potenza massima (Watt) del Fotovoltaico e dalla tensione (V) delle batterie. Per cui la corrente (Ampere) deve essere uguale o inferiore alla massima portata dell’MPPT riportata nelle specifiche.

Esempio: se dovessimo collegare al regolatore di carica MPPT un apparato fotovoltaico con una potenza massima (Wp) di 360 Watt e la tensione del pacco batteria è 12 Volt, l’MPPT deve supportare come minimo una corrente di 30 Ampere (I=P/V= 360/12=30A).

SCELTA DEL REGOLATORE

La scelta della tecnologia PWM o MPPT dipende dal tipo di pannelli usati, sia dal banco batterie.

Il PWM costa meno ma ha delle limitazioni rispetto all’MPPT. La limitazione più importante è che l’MPPT sfrutta pienamente la potenza del pannello fotovoltaico utilizzando tensioni superiori al banco batteriementre nel PWM non è possibile collegare un impianto fotovoltaico a 24 Volt con batterie a 12 Volt. Per cui, in linea di massima, è consigliabile usare il PWM quando la tensione del fotovoltaico è di poco superiore alla batteria (esempio: un pannello 12 Volt composto da 30 celle e batterie a 12 Volt).

REGOLATORE PWM

Nel nostro progetto,  avendo due stringhe in parallelo e ogni stringa ha 2 pannelli in serie, sommeremo le CorrentI di corto circuito (Isc) di ogni stringa, indicati nella scheda tecnica, che è di 6,15 Ampere. Per cui la somma è: 6,15 x 2 = 12,3 A, e per stare tranquilli ne utilizzeremo uno superiore del 25% per poter compensare i picchi di tensione che possono avvenire nelle giornate fredde e soleggiate, (12,3 *1,25=15,3A)  in base a quelli disponibili sul mercato: 6 A, 10 A, 12 A, 20 A, 30 A, 45 A, ecc. 20 o 30 Ampere è quello che potremmo utilizzare.

Il pannello fotovoltaico è l’unico generatore elettrico che quando viene messo in corto circuito non si danneggia ma eroga il massimo della corrente che le celle possono generare.

Una cosa da tenere ben presente: non mettere mai in cortocircuito batterie o altri generatori elettrici !!!

REGOLATORE MPPT

La portata di un regolatore MPPT viene calcolata tenendo conto della Potenza massima (Watt) del Fotovoltaico e dalla tensione (V) delle batterie. Per cui la corrente (Ampere) deve essere uguale o inferiore alla massima portata dell’MPPT riportata nelle specifiche.

Nel nostro progetto la Potenza del Fotovoltaico è di 1000Watt e il pacco batterie è 24Volt. Usando questa regola troveremo il valore:

Imax= P fotovoltaico (W) / Tensione batteria (V) = 1000/24= 42 Ampere 

Per compensare i picchi di tensione che possono avvenire nelle giornate fredde e soleggiate aumenteremo la portata del 25%,  per cui diventerebbe:

I(A)=(P/V)* 1,25= (1000/24)*1,25= 52 A

Dove: Icorrente massima in ingresso al controllo di caricaPpotenza totale del fotovoltaicoVtensione pacco batteria1,25 = 25% di incremento.

Per il nostro impianto sceglierò un Regolatore  MPPT da 60 Ampere

Da non trascurare per dimensionare un regolatore MPPT esistono due limiti che non vanno superati :

  • La massima tensione del fotovoltaico a circuito aperto (Voc a STC)
  • La corrente massima di cortocircuito del fotovoltaico (Isc a STC)

Questi due valori non devono superare quelli di targa imposti dalla casa costruttrice, che trovo nella scheda tecnica.

Nel nostro caso la massima tensione a circuito aperto sarà dato dal valore Voc per i pannelli messi in serie nella stringa.

Voc=49,40*2=98,8 Volt  che aumenteremo del 25% = 98,8 * 1,25= 124 Volt e va bene in quanto i limiti di targa sono 150 Volt.

NOTA

Quando acquistate un regolatore di carica dovete farlo in funzione al tipo di batteria che volete installare. Per cui non collegate una batteria al piombo acido a un regolatore di carica progettato solo per quelle al litio e viceversa. Questo potrebbe compromettere la sicurezza e la longevità delle batterie poiché gli algoritmi di carica e le impostazioni di voltaggio sono diversi.

Alcuni regolatori si possono utilizzare sia per le batterie al piombo che quelle al Litio settando in modo opportuno il regolatore.

OFFERTE PER REGOLATORI DI CARICA SU AMAZON

CAPACITA’ DI ACCUMULO DELLA BATTERIA

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, ed è l’elemento più critico del sistema in quanto è l’unica parte che ha bisogno di manutenzione. La durata è di circa 7/8 anni e dipende dal numero di cicli di carica/scarica e la ridotta auto scarica.

A mio parere le batterie che si usano per gli impianti fotovoltaici (stazionarie) le più idonee sono quelle al piombo gel, adatte a lavorare con correnti limitate per tempi prolungati sia per la carica che la scarica e al rapporto prezzo e prestazioni. Le batterie al Litio, che rappresentano l’ultima generazione, hanno un ciclo di carica e scarica elevato (circa 6000 cicli), ma per contro il loro costo è ancora elevato.

Sarebbe bene quando si collegano le batterie in serie o in parallelo che siano uguali (gemelle), che abbiano lo stesso grado di carica, che i cavi elettrici usati per il collegamento siano di sezione adeguata e il più corti possibile.

COME CALCOLARE LA CAPACITA’ DELLA BATTERIA 

Si chiama capacità di una batteria la misura della quantità di energia elettrica che essa riesce ad immagazzinare, e si esprime in Ampere-ora ( abbreviato in Ah).

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, o all’80% se si tratta di batterie al Litio(Vedi Calcolo matematico)

CALCOLO DELLA CAPACITA’ DI ACCUMULO IN Ah

Se l’uso è solo per il periodo estivo è sufficiente che la batteria mantenga la carica per 3 o 4 giorni, se invece ci serve anche in inverno è il caso di raddoppiare i giorni.

Per il calcolo della capacità, quando le batterie sono al piombo acido o piombo gel  e che scaricheremo al 50% , con un’efficienza del  92% della capacità nominale, potete utilizzare il calcolatore automatico per la capacità di accumulo o usare questa regola:

Dove: CBcapacità batteria in AhEtconsumo di energia in WhNgnumero dei giorni di utilizzo; VFV=Tensione fotovoltaico0,5profondità di scarica0,92efficienza.

Per il calcolo della capacità quando le  batterie sono al Litio e che scarichiamo all’ottanta per cento (80%)  (in questo caso non terremo conto dell‘Efficienza) potete utilizzare il calcolatore automatico per la capacità di accumulo o usare questa regola:

Dove: CBcapacità batteria in AhEtconsumo di energia  in WhNgnumero dei giorni di utilizzo; VFV=Tensione fotovoltaico0,8profondità di scarica.

CALCOLO DELLA CAPACITA’ CON I VALORI DEL NOSTRO PROGETTO

Et=1700 Wh;  Nggiorni 6; VFV= 24 Volt

Se usiamo le  batterie al Litio le scaricherò all’80% e il risultato sarà:

Se usiamo le  batterie al piombo acido o piombo gel  le scaricherò al 50%  e il risultato sarà:

Vedi anche: TEMPO DI CARICA E SCARICA DI UNA BATTERIA

COLLEGAMENTO 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.

Per il nostro progetto potremmo utilizzare 3 batterie ( Litio) da 200 Ah, 24 Volt in parallelo, con la scarica all’80% della sua capacità nominale. 

Oppure potremmo utilizzare batterie da 200 Ah, 24 Volt al piombo gel , in parallelo, con la scarica al 50% della sua capacità nominale.

Ed è quello che utilizzerò per il nostro progetto.

SCHEMA DEL COLLEGAMENTO BATTERIE

OFFERTA BATTERE PER FOTOVOLTAICO SU AMAZON.IT

DIMENSIONAMENTO DELL’INVERTER

Se l’impianto Fotovoltaico lo voglio usare solo per l’illuminazione posso utilizzare le lampadine a 12/24/48 Volt che collegherò all’uscita apposita del regolatore,

ma se voglio alimentare apparati come a esempio il televisore, la lavatrice, il PC, ecc., devo per forza utilizzare un Inverter che trasforma la corrente continua in alternata a 230 Volt, 50 Hz, che sarà collegato al pacco batteria.

N.B. Oltre i 6 kW l’uscita in corrente alternata è Trifase (380 Volt).

SCELTA DELL’INVERTER

Il dimensionamento viene fatto in base alla potenza massima richiesta dall’utenza, tenendo conto degli spunti.

Nel nostro progetto 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

La scelta avviene in base agli apparati disponibili sul mercato che possono essere a onda quadra o sinusoidale. Se si sceglie la sinusoidale potete optare per un apparato con lo Stand-By.

Nel nostro caso abbiamo abbondato e utilizzeremo uno da 1000 Watt di picco, forma d’onda in uscita sinusoidale pura, Tensione in uscita: 230V, Tensione di ingresso: 12/ 24/ 48 VoltFrequenza di uscita: 50Hz, Tasso di conversione: 98%, con 6 tipi di protezione intelligente contro sovraccarico, alta tensione, bassa tensione, surriscaldamento, inversione di polarità, cortocircuito.

Nel nostro progetto installeremo un Inverter di 1000 W, 24 Volt (se ci fossero delle pompe, o altri apparecchi con spunto di corrente all’accensione occorre raddoppiare la potenza nominale, nel nostro caso siamo più che a posto essendo già doppia).

NOTA BENE: la tensione elettrica prodotta in uscita dall’inverter, è di valore pericoloso (230Volt) e quindi tutti i collegamenti elettrici DEVONO ESSERE  eseguiti da persone esperte e qualificate.

OFFERTE INVERTER PER FOTOVOLTAICO SU AMAZON

PROTEZIONI DA CORTOCIRCUITI E SOVRACCARICHI

Quando si progetta un impianto fotovoltaico bisogna anche prevedere dei dispositivi sia di sezionamento che di protezione per tutti i prodotti installati, anche se alcuni hanno già all’interno delle protezioni come l’Inverter e il Regolatore di carica.

La International Electrotechnical Commission (IEC) riconosce
il fatto che la protezione degli impianti fotovoltaici sia diversa rispetto
a quella delle installazioni elettriche standard. Questo viene evidenziato nel
documento IEC 60269-6, che definisce le caratteristiche specifiche
che deve possedere il fusibile utilizzato per proteggere gli impianti fotovoltaici.

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:

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

Di norma, per tutti gli impianti fotovoltaici che hanno tre o più stringhe collegate in parallelo, viene consigliata una protezione per ciascuna stringa che proteggerà cavi e moduli da guasti dovuti a sovracorrente. Se ne hanno di meno la corrente che possono generare non è in grado di danneggiare i moduli in caso di guasto se il conduttore è dimensionato correttamenteio li metterei ugualmente sia sul filo positivo che su quello negativo . Per la sicurezza, oltre il fusibile è utile anche un sezionatore che permette di lavorare il tranquillità a valle dei pannelli in caso di guasto.

SPECIFICHE DEL FUSIBILE

Se le stringhe in parallelo sono minori o uguale a tre potrebbe bastare che il cavo sia dimensionato per sopportare una corrente almeno uguale a: 1,56 x Isc (Corrente di corto circuito), ma come detto in precedenza io per sicurezza metterei un fusibile su ogni stringa, che deve avere i seguenti requisiti:

  • la corrente di cortocircuito Isc x 1,56
  • la tensione  Voc x 1,20 x Ns (Ns=numero di moduli in serie per stringa).

Gli stessi requisiti valgono se le stringhe sono maggiori di tre.

Nel nostro progetto la Isc6,15 AVoc= 49,40 Volt. Per cui il fusibile dovrà avere le seguenti caratteristiche:

i fusibili possono essere inseriti   nei connettori MP4,

o in porta fusibili.

Il Sezionatore serve a dividere la parte a monte dalla parte a valle dell’impianto elettrico senza il rischio di una rimessa in tensione accidentale, e consentire la manutenzione senza rischi per l’installatore, sia come ulteriore protezione degli apparati da sovratensioni o corto circuiti, nel nostro caso è da 50 A.

PROTEZIONI  GENERATORE FOTOVOLTAICO 

Come detto in precedenza se le stringhe in parallelo sono minori o uguale a tre potrebbe bastare che il cavo sia dimensionato in modo adeguato, io per sicurezza, nel mio progetto, metterei un fusibile in ogni stringa sia sul filo positivo che sul negativo, che in questo caso sono da 10 A ognuno.

Nel nostro caso la corrente prodotta dal fotovoltaico è calcolata utilizzando la legge di Ohm : I=P/V=1000/24=41 A che porteremo a 50A.

  • Il fusibile 2 è da installare tra l’uscita del regolatore di carica (dove c’è il simbolo della lampadina) e gli utilizzatori a 12, 24, o 48 Volt. L’amperaggio (A) dovrà essere calcolato in base all’assorbimento massimo in Watt delle utenze collegate che, comunque, non dovrà superare la portata massima del regolatore usando la formula: I=P/V=A.

SCARICATORI DI SOVRATENSIONI PER GENERATORI FOTOVOLTAICI DI MEDIE DIMENSIONI 

I pannelli solari degli impianti fotovoltaici occupano uno spazio che è proporzionale alla potenza che si vuole ottenere, e quando l’area occupata diventa significativa i sistemi sono più soggetti agli effetti delle fulminazioni, soprattutto a quelle indirette. Per evitare danni sarebbe bene installare scaricatori di sovratensione per ogni polarità verso terra nel posto più vicino alle stringhe. La scelta della tensione degli scaricatori SPD (Surge Protection Device) lato corrente continua negli impianti isolati da terra si può calcolare utilizzando la formula seguente:

VC (SPD)= VOC STC x K

Nel nostro caso la tensione a circuito aperto (VOC) è di 49,40 Volt che moltiplicato per K (1,20) risulta che la VC (SPD) è uguale a: 60 Volt, e potremmo usare gli scaricatori OVR PV.

SCATOLA DI GIUNZIONE FOTOVOLTAICA

Un sistema più professionale per collegare i pannelli solari al regolatore di carica è la SCATOLA DI GIUNZIONE FOTOVOLTAICA.

Apparato che semplifica di molto il cablaggio di ingresso all’armadio e del regolatore di carica.

Inoltre contiene la protezione con un fusibile da 10 Ampere per ogni stringa, protezione da sovratensione, sovracorrente, diodi antiriflussoprotezioni  antiriflesso e antiriflussointerruttori automatici di sicurezza, protezioni contro i fulmini/sovratensioni (1000 Volt), e messa a terra.

SCATOLA DI GIUNZIONE FOTOVOLTAICA SU AMAZON

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). In linea di massima possiamo dire che la corrente non dovrebbe superare i 4 A / mm².

Quindi se assorbe 40 A occorre un conduttore di almeno 10 mm² (40/4=10).

Quando si progetta un impianto fotovoltaico si deve rispettare la norma che impone una sezione minima dei cavi di 1,5 mm².

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) con la seguente formula: V=R*I

Possiamo anche dire che fissata una intensità di corrente Iun cavo elettrico produce una caduta di tensione che è direttamente proporzionale alla resistenza RPer cui maggiore è la resistenza del cavomaggiore sarà la caduta di tensione, provocata da una determinata corrente che vi scorre.

Essendo la caduta di tensione un effetto indesiderato sarà nostro compito cercare di ridurre al minimo la resistenza del cavo, ma si deve tenere conto che la resistenza di un cavo aumenta con la sua lunghezza e diminuisce all’aumentare della sua sezione, come si vede dalla formula:

R=K*L/S

Dove: K è la resistività specifica del cavo, che nel Rame è pari a: 0,0175 Ohm*metro; L è la lunghezza del cavo, espressa in metri (m); e S è la sezione in mm².    

Mentre la caduta di tensione si calcola con la formula seguente:

cV= (K * I * Lc)/S

Dove: cV è la caduta di tensioneK è la resistività specifica del cavo, che nel Rame è pari a: 0,0175 Ohm*metroI è la corrente che lo attraversa, Lc è la lunghezza complessiva del cavo (andata e ritorno) espressa in metri (m);  S è la sezione in mm².     

 Se volessimo fare un esempio e applichiamo la formula a un cavo in rame di 1 mm² di sezione, e questo è percorso da una corrente continua, si avrà una resistenza di 0,0175 Ohm per ogni metro di lunghezza. Per cui supponendo di avere un cavo lungo 1 metro con una sezione di 1 mm², si avrà una resistenza di 0,0175 Ohm (0,0175*1/1=0,0175).

Ora vediamo come calcolare la caduta di tensione se avessimo, come nel nostro progetto, un Inverter di 1000 Watt e una tensione di banco delle batterie di 24 Volt,  e un cavo lungo 1 metro con una sezione di 1 mm². Per prima cosa calcoliamo la corrente circolate con la formula:

I= W/ V= 1000/24= 41,6 Ampere

poi calcoliamo la Tensione:

V= I x R = 41,6 x 0,0175=0,728 Volt (caduta di tensione)

La potenza con la caduta di tensione sarà: W=V x I= 0,728 x 41,6= 30,28 Watt (che è la perdita di potenza) per cui con un cavo di rame lungo 1 metro e con una sezione di 1 mm² avrò una perdita di 30 Watt di potenza. Se dovessimo raddoppiare la sezione la perdita di dimezzerebbe (15 Watt), e così via. Questo parametro è importante per la progettazione dell’impianto.

La soluzione per diminuire la caduta di tensione sono due: o aumentare la sezione dei cavi, oppure diminuire la lunghezza.

In sintesi, per calcolare la sezione di un cavo, conoscendo la sua lunghezza totale, la corrente che lo attraversa, e fissando la caduta di tensione desiderata, si applica la formula seguente:

Dove: K è la resistività e nel rame è uguale a 0,0175 Ohm*metro, S è la sezione del cavo in mm²è la corrente che lo attraversa (in Ampere), Lc la lunghezza complessiva (andata e ritorno) del cavo in metri, e cV la caduta di tensione desiderata.

OFFERTA CAVI ELETTRICI PER FOTOVOLTAICO SU AMAZON

CALCOLO SEZIONE CAVI DAL PANNELLO FOTOVOLTAICO AL REGOLATORE DI CARICA

Per calcolare la sezione dei cavi che partono dai o dal pannello fotovoltaico e si collegano al Regolatore di carica usiamo il programma di calcolo inserendo i seguenti dati (che si trovano nelle specifiche del pannello fotovoltaico): numero dei pannelli solaritensione al punto massimo (Vmp)corrente al punto massimo (Imp)lunghezza del cavo partendo dai pannelli al regolatore andata e ritorno(m) ;caduta di tensione (cV)tensione del sistema(V).

Nel nostro progetto: i pannelli sono 4; la corrente 5,95 A; la tensione42 V; lunghezza 10 m ; caduta di tensione 0,48 V( 2% di 24 V), tensione del sistema 24 VoltIl risultato è: 8,9 mm². Useremo cavi da 10 mm² tipo FG21.

Come da sezioni commerciali dei cavi in figura:

Arriviamo allo stesso risultato con la formula:

Dove K= resistività:0,0175I = corrente massima (Isc) circolante, nel nostro caso 5,95 x 2=11,9 A essendo i pannelli in parallelo; L= lunghezza cavo (10×2=20 m); Cv=caduta di tensione(stimata a 0,48 V= 2% di 24 V).

Chiaramente se la lunghezza varia, come conseguenza, varia la sezione. Esempio se la lunghezza fosse di 5 metri, la sezione sarebbe:

CADUTA DI TENSIONE IN FUNZIONE DELLA LUNGHEZZA DEL CAVO

Come detto prima la caduta di tensione deve stare nel 2% vediamo se la condizione è stata rispettata e usiamo questa formula:

ΔV= caduta di tensione in %; Pmax= potenza massima del fotovoltaico; K (ρ)= resistività; Lc= lunghezza del cavo; S= sezione del cavo; Vmax = tensione alla massima potenza.

ΔV=1,98% inferiore al 2% per cui va bene.

CARATTERISTICHE DEL CAVO FG21

CALCOLO SEZIONE CAVI DALLA BATTERIA ALL’ INVERTER

Se devo calcolare la sezione dei cavi (6 metri di lunghezza tra andata e ritorno) che partono dalla batteria (24 volt) all’Inverter (1000 Watt), e la caduta di tensione è il 2%, avrò con il  programma di calcolo:  la sezione del cavo sarà di 9,27 mm² che porterò a 16mm² tipo FG21.

Il risultato è lo stesso se usiamo la formula:

nota: I=W/V=1000/24=42 A

CALCOLO SEZIONE CAVI DAL REGOLATORE DI CARICA ALLA BATTERIA

La sezione dei cavi che partono dal regolatore alla batteria è uguale a quella che dal fotovoltaico va al regolatore in quanto la corrente non può essere più alta (max 11,9 A), per cui va bene 10 mm² se la distanza è la stessa, se fosse meno, esempio 4 metri andata e ritorno, la sezione sarebbe di 1,7 mm².

Il risultato della formula è 1,7 mm² che porterò a 4  mm².

SCHEMA COMPLETO DEL PROGETTO FOTOVOLTAICO

 

RAPPORTO TRA IL RENDIMENTO DEL PANNELLO FOTOVOLTAICO E LA SUPERFICIE DISPONIBILE

Il dimensionamento dell’area disponibile per installare i pannelli fotovoltaici in funzione della potenza che vi necessita può essere la vera discriminate. Vediamo quanti metri quadri servirebbero per avere una potenza di 1 kWp usando la formula.

Con pannelli Monocristallino occorrono circa 6,25 m²con pannelli Policristallino 6,25 m²25 m² con pannelli in Silicio amorfo con un rendimento al 4%11 m² con pannelli in Silicio amorfo con microgranuli rendimento 9%, 8,3 m² con pannelli in Silicio amorfo con leghe CIGS rendimento 12%. 

OFFERTA IMPIANTI FOTOVOLTAICI SU AMAZON.IT

METODO DA USARE QUANDO SI COLLEGA IL REGOLATORE                  ALL’IMPIANTO FOTOVOLTAICO

1° COLLEGARE LA BATTERIA

2° COLLEGARE PANNELLO SOLARE

3° COLLEGARE IL CARICO

Quando si scollega l’impianto fare la procedura inversa 

COMMUTATORE 24/48 V, DA SOLARE A RETE ELETTRICA

Questo tipo di impianto casalingo è stato concepito per non trasferire l’energia in eccesso alla rete elettrica, ma per chiudere il cerchio del mio progetto devo prevedere anche 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 trovarci 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

SCHEMA COMPLETO

RIASSUNTO CON CALCOLO AUTOMATICO

Per il calcolo della Potenza Totale (Wp) di un Impianto Fotovoltaico fai da te usate il CALCOLATORE AUTOMATICO.

Per il dimensionamento del Regolatore di Carica seguire le istruzione della pagina

Per il dimensionamento dell’Inverter vedere la pagina apposita.

 Quello che vi ho descritto è soltanto un esempio di come iniziare a produrre autonomamente una piccola autoproduzione energetica a energia solare. Questi tipi di impianti fotovoltaici autonomi, anche se limitati nella disponibilità energetica, sono una esperienza personale che contribuirà comunque a migliorare l’ambiente producendo meno CO2.

Queste precisazioni sui piccoli impianti fotovoltaici a batteria non devono essere percepite come una perdita di tempo e denaro, o uno sfizio, ma uno sprone a un continuo e costante miglioramento delle “performance” energetiche e di risparmio. Nel tempo potrete, come vedrete nei successivi esempi, aumentare il numero di pannelli solari e batterie, aumentare la potenza dell’inverter e del regolatore di carica diminuendo sempre di più la dipendenza dal gestore attuale, e anche fornirgli l’energia superflua: riducendo sempre di più l’impatto ambientale dovuto all’utilizzo di energia prodotta da fonti inquinanti da parte dei gestori.

 INVERTER IBRIDO PER IMPIANTI FOTOVOLTAICI A ISOLA

L’inverter ibrido è un inverter fotovoltaico “ampliato” che converte la corrente continua in alternata, e gestisce e coordina i flussi di energia elettrica provenienti dal fotovoltaico, dalla batteria, dalla Rete elettrica o dall’UPS .

Esistono diverse tipologie di inverter ibridi per impianti fotovoltaici ad isola. Vediamone alcuni:

INVERTER IBRIDI TUTTI IN UNO 

Sono inverter a onda pura completi di Inverterregolatore di carica (PVM o MPPT), il caricabatteria di rete, e la funzione UPS.

Con questo Inverter è possibile su un’unica macchina collegare i pannelli fotovoltaici, le batterie, il carico, e la rete elettrica o l’UPS.

Esempio: L’inverter ibrido può  alimentare i carichi prelevando l’energia direttamente dall’impianto fotovoltaico e nel caso in cui l’energia elettrica proveniente dall’impianto fotovoltaico non è sufficiente, l’inverter la preleverà  dalle batterie, oppure commuterà sulla rete elettrica o a un generatore quando l’energia del fotovoltaico o quella proveniente delle batterie non sono in grado di alimentare il carico.

FUNZIONAMENTO OFF-GRID

In zone dove non è presente la rete elettrica nazionale, l’inverter ibrido è una delle soluzioni migliori quando si vuole costruire un impianto fotovoltaico a isola, tale apparato contiene al suo interno l’inverter e il regolatore di carica. In questa modalità è necessario il collegamento delle batterie all’inverter in modo da fornire l’energia quando non viene generata dal fotovoltaico.

INVERTER IBRIDO SENZA BATTERIE

La particolarità di questo inverter ibrido solare è di poter lavorare anche senza BATTERIA, ma è indispensabile che siano collegati all’inverter sia i pannelli solari fotovoltaici che la rete elettrica nazionale.

FUNZIONAMENTO COME BACK UP DELLA LINEA ELETTRICA

In caso in cui si voglia evitare un disservizio per una interruzione della linea elettrica si può programmare l’inverter come UPS. La commutazione dalla rete alle batterie è di qualche millisecondo evitando così lo spegnimento dei carichi.

 

 DIMENSIONAMENTO DEL NOSTRO PROGETTO CON L’INVERTER IBRIDO

Lo stesso progetto visto in precedenza sarà realizzato con un inverter ibrido. I valori saranno gli stessi:

La potenza dei pannelli fotovoltaici li calcoliamo con la seguente formula:

PFVPotenza effettiva del fotovoltaico in WpWhwattora utilizzati hse/g = ore sole equivalenti0,64 =efficienza effettiva (64%) data dalle perdite di sistema.

Se l’impianto fotovoltaico fosse utilizzato solo in primavera/estate/autunno è sufficiente una potenza di 700 Wse deve essere usato per tutto l’anno è necessario una potenza di 1000 W (1 kW) ed è quello che terremo come parametro di riferimento. 

DIMENSIONAMENTO DELL’INVERTER IBRIDO

In linea generale la potenza nominale dell’inverter ibrido deve essere coerente con il numero dei pannelli e stringhe che si vogliono installare. Per fare un esempio se avessimo 6 pannelli da 100 Watt ognuno la potenza nominale dell’impianto fotovoltaico sarebbe 600 Watt, per cui dovremmo scegliere un inverter che supporti una potenza nominale DC proveniente dal fotovoltaico di almeno 800 Watt.

Criteri generali per la scelta dei moduli fotovoltaici da collegare all’Inverter:

  • La tensione a circuito aperto Voc dei moduli fotovoltaici non deve superare la  tensione a circuito aperto (Voc) tollerata dall’inverter.
  • La tensione di massima potenza (Vmp) dei moduli fotovoltaici dovrebbe avvicinarsi il più possibile alla  tensione di lavoro in corrente continua (Vcc) dell’inverter, oppure nell’intervallo di lavoro ideale per ottenere migliori prestazioni.
  • Se il singolo modulo fotovoltaico non può soddisfare questo requisito, è necessario avere più moduli in serie.

L’efficienza dei pannelli fotovoltaici viene esaltata se la tensione dell’impianto fotovoltaico si avvicina alla Vmp ottimale del regolatore di carica all’interno dell’inverter ibrido.

E per dimensionare il campo fotovoltaico si potrebbe usare questo metodo:

Numero massimo di pannelli per stringa:

Dove:  Vmp pannello FvTensione di massima potenza (valore di targa del pannello fotovoltaico ); Vmp ottimale inverter = Tensione di lavoro dell’inverter.

Per sapere il numero massimo di stringhe in parallelo:

Dove: Impcorrente alla massima potenza del pannello FV.

Esempio: se avessimo un Inverter da 1,6 kWCorrente max ingresso=50 ATensione nominale= 24 VoltTensione lavoro= da 30 a 32 VccVoc= 60 Vcc.

Per cui la Voc del campo fotovoltaico non dovrebbe superare i 60 Vcc, mentre la Vpm del campo fotovoltaico deve stare tra i 30 Vcc e i 32 Vcc, avendo il pannello le caratteristiche come sotto:

Pannello fotovoltaico da: 260 WpImp=8,42Vmp=30,9Isc= 8,89Voc=37,7.

Il numero massimo di pannelli per stringa sarà: 

Il numero massimo di stringhe in parallelo sarà:

Per cui il dimensionamento dovrebbe essere:

  • 1 pannello per stringa,
  • 6 stringhe in parallelo,
  • 6 Pannelli in totale.

I Pannelli saranno collegati all’inverter ibrido.

Ora dovremo calcolare la capacità delle batterie e utilizziamo la formula seguente:

Dove: QBcapacità batteria in AhEt= consumo in WhNg= numero dei giorni di utilizzo; Tensione fotovoltaico0,5profondità di scarica0,92efficienza.

Quindi inserirò come Et= 1700 Whcome tensione del fotovoltaico: 24Volt, e giorni 3,  0,5: essendo le batterie batterie al piombo acido o piombo gel  saranno scaricate al 50%, 0,92= efficienza 92% .

462 Ah che porteremo a 400 Ah mettendo in parallelo batterie al piombo gel  da 200 Ah-24 Volt.

Collegamento delle batterie all’inverter:

Inverter ibrido con collegato il carico:

Inverter ibrido con backup sul gruppo elettrogeno o con la rete elettrica:

PROTEZIONI 

(1) Il sezionatore serve per “sezionare” una parte dell’impianto elettrico che vogliamo isolare senza il rischio di una rimessa in tensione accidentale, e consentire la manutenzione senza rischi per l’installatore, sia come ulteriore protezione degli apparati da sovratensioni o corto circuiti da 60A.

(2) Fusibile tra Inverter e batteria, essendo la corrente nominale 66 A ne metteremo uno dello stesso amperaggio.

(3) e (4)  Interruttori  magnetotermici. (3) consigliato 20 A (Il massimo assorbimento degli apparati elettrici a 230 Volt nel nostro esempio è di 400Watt). (4) nel caso l’inverter fosse collegato alla rete o al generatore.

SEZIONE CAVI

La dimensione dei cavi che collegano l’inverter alla batteria è consigliato almeno una sezione di 14 mm²; per i cavi che dal fotovoltaico all’inverter dovrebbero avere almeno 9 mm² di sezione in quanto transita una corrente di 50 A; i cavi all’ingresso della rete devono avere almeno una sezione di 2 mm².

GESTIONE CON DIVERSI ORDINI DI PRIORITA’ DELL’IMPIANTO FOTOVOLTAICO

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.

  • 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.

COLLEGAMENTO DELL’IMPIANTO SOLARE ALLA LINEA ELETTRICA

L’installazione di un Impianto Fotovoltaico collegato alla rete elettrica deve essere eseguito da un professionista del settore. Invece,  seguendo passo passo le mie indicazioni, sarete in grado di progettare un impianto fotovoltaico e, volendo, potreste acquistare in autonomia i pannelli fotovoltaici, le strutture di supporto, l’Inverter, il Regolatore di Carica (se con accumulo), ed i materiali di cablatura,che metterete a disposizione del tecnico che provvederà all’installazione, riducendo la spesa complessiva senza rinunciare alla qualità, oppure fare un confronto con il preventivo che le ditte vi propongono. Per le autorizzazioni vale quanto ho scritto in precedenza.

Prima di passare alla configurazione e al calcolo dell’impianto fotovoltaico in autoconsumo vorrei fare alcune precisazioni.

Ci sono almeno due ragioni per passare al fotovoltaico in autoconsumo:

  • Il costo in bolletta dell’energia elettrica varia tra 0,20 e i 0,30 euro per kWh (nel mio caso: 0,25) mentre il costo di produzione del fotovoltaico varia tra 0,05 e 0,10 euro per kWh.
  • Le detrazioni fiscali.

Per avere un’idea degli anni necessari a bilanciare l’energia impiegata per la produzione si può utilizzare la formula:

Punto di guadagno energia (payback)= Energia prodotta/Energia Risparmiata (anni)

In linea generale:

  • Con pannelli fotovoltaici in Silicio Monocristallino: dai 3 ai 6 anni
  • Con pannelli fotovoltaici in Silicio Policristallino: dai 3 ai 6 anni
  • Con pannelli fotovoltaici in Silicio Amorfo: dai 2 ai 3 anni

Un altro dato è la quantità di energia che produce un impianto fotovoltaico rispetto all’energia impiegata in fase di produzione.

  • Con pannelli fotovoltaici in Silicio Monocristallino: 4-8 volte
  • Con pannelli fotovoltaici in Silicio Policristallino: 4-8 volte
  • Con pannelli fotovoltaici in Silicio Amorfo: 10-12 volte.

Per cui l’autoconsumo in sito dovrebbe essere sempre conveniente. Dico dovrebbe perché se non dovesse succedere potrebbe essere dovuto all’impianto non fatto correttamente.

Un impianto fatto a regola d’arte prima di tutto dovrebbe usufruire istantaneamente dell’energia elettrica autoprodotta, e solo quella che non serve dovrebbe essere messa in rete, ma se, ad esempio, tutta l’energia prodotta fosse erroneamente messa in rete per poi riprenderla istantaneamente o al momento del bisogno, questa verrebbe conteggiata dal contatore bidirezionale sia in ingresso che in uscita, e siccome quella prelevata costa di più di quella messa in rete si potrebbe vanificare i risparmi.

Per cui, come detto in precedenza, l’utente deve consumare prima di tutto l’energia autoprodotta, e solo quando non è disponibile prelevarla dalla rete, mentre quando all’utente non necessita l’utilizzo dell’energia o è in abbondanza: immetterla in rete.

L’impianto corretto è a grandi linee come da schema.

In questa figura è riportato il corretto schema di realizzazione dell’impianto, in quanto permette l’autoconsumo dell’energia autoprodotta prima che questa venga immessa in rete, e il corretto posizionamento dei contatori elettrici (Contatore energia fotovoltaico e Contatore bidirezionale) che consente il giusto conteggio dell’energia autoconsumata, di quella immessa in rete, e di quella prelevata dalla rete.

Per calcolare l’autoconsumo:

Autoconsumo = energia totale prodotta dal fotovoltaico –  energia immessa in rete

Formula per calcolare il risparmio in bolletta:

Risparmio in bolletta (£) = autoconsumo in kWh x 0,25 (£) 

(0,25 è un prezzo medio lordo dell’energia in bolletta di cui ho preso come riferimento).

Esempio:

Energia prodotta = 2.500 kWh (anno)
Energia immessa in rete = 1.000 kWh (anno)
Autoconsumo = 2.500 – 1.000 = 1.500 kWh (anno)
Risparmio in bolletta = 1.500 x 0,25 = 375 euro (anno)

ARCHITETTURA DELL’IMPIANTO

L’architettura di un impianto fotovoltaico connesso alla rete può essere di due tipi: senza accumulo, o con accumulo.

SENZA ACCUMULO

Il sistema fotovoltaico connesso alla rete elettrica senza accumulo è costituito dall’insieme dei moduli e dall’ inverter.

L’inverter , le cui caratteristiche sono diverse da quelli usati per impianti fotovoltaici isolati, deve convertire la corrente continua proveniente dai pannelli solari in corrente alternata con la stessa tensione e frequenza della rete elettrica a cui è collegato. In parole povere l’Impianto Fotovoltaico lavora in parallelo alla rete diventando lui stesso un piccolo generatore. Per cui il fotovoltaico produce, e l’energia può essere utilizzata direttamente dagli apparati collegati (televisore, lavatrice, lampadine, ecc.), oppure essere immessa in rete. La corrente elettrica generata dai pannelli viene contabilizzata da un contatore posto a valle del generatore, e la corrente messa in rete o prelevata viene contabilizzata da un contatore bidirezionale installato vicino al punto di prelievo.

FUNZIONAMENTO TEORICO DELL’IMPIANTO FOTOVOLTAICO IN REGIME DI INTERSCAMBIO 

Nelle ore di luce, l’utenza consuma l’energia prodotta dall’impianto fotovoltaico.

Di notte o in condizioni di luce insufficiente, l’utenza preleva l’energia dalla rete elettrica.

Se l’impianto produce di più di quanto richiesto dall’utenza, l’energia in eccedenza sarà immessa in rete, e contabilizzata dal contatore bidirezionale.

 

La componentistica per un impianto base è:

DIMENSIONAMENTO, CONFIGURAZIONE, E CALCOLO  

In questo esempio si ipotizza la configurazione di un impianto di piccole dimensioni tipico di una casetta mono famigliare con due persone, dove gli impianti sono collegati alla rete pubblica a bassa tensione con sistemi di messa a terra di tipo TT, dove verranno connesse le masse dell’impianto fotovoltaico, che invece rimane isolato nelle sue parti attive. Si ipotizza inoltre che la corrente presunta di corto circuito fornita dalla rete pubblica sia di circa 6 kA tra fase/neutro (monofase).

Nel nostro caso il contratto con la società elettrica è di 3 kW e il consumo annuo è di 2500 kWh.

DIMENSIONAMENTO

Per dimensionare un impianto collegato alla rete elettrica esistono, fondamentalmente, due criteri:

In linea generale la quantità di energia prodotta dai pannelli solari deve essere uguale o inferiore a quella che fornisce il distributore al cliente.

ESEMPIO DI CALCOLO DELLA POTENZA IN kWp

La potenza dell’impianto fotovoltaico è il rapporto tra il consumo del cliente ( che si trova, di solito, nella seconda pagina della bolletta elettrica in kWh anno) e una stima della produzione locale del fotovoltaico, tenendo in considerazione le ore di sole equivalenti.

Il dimensionamento deve anche tenere conto che il rendimento dell’impianto sarà dell’80%, in considerazione delle varie perdite.

La formula per il calcolo della Potenza massima del Fotovoltaico è questa:

  • kWh= è il consumo di energia di un anno (ricavabile dalla bolletta elettrica)
  • h= è la media annua dell’energia solare giornaliera
  • K= è il coefficiente che tiene conto delle perdite complessive dell’impianto fotovoltaico, che stimiamo tra il 0,75 e 0,8.

ESEMPIO DI DIMENSIONAMENTO DELLA POTENZA CON PREVALENZA ALL’AUTOCONSUMO 

  Per prima cosa calcoliamo le ore di sole equivalenti, che saranno diverse a seconda di dove è ubicato l’impianto: ipotizziamo Milano e utilizziamo il sito PVGIS, o ENEA. I dati, a seconda il sito, possono essere in Mj, in questo caso si dovrà dividere  per 3,6 per ottenere i kWh, o direttamente in kWh.

Nel nostro caso la media giornaliera annua di radiazione solare incidente su una superficie inclinata di 30° è di 3,95 kWh.

Se per esempio il consumo annuo fosse di 2.500 kWh usando la formula:

L’esempio di dimensionamento preliminare si riferisce alle migliori condizioni sia di orientamento ed esposizione, ovvero: inclinazione di 30° e orientamento a SUD. Chiaramente se l’utente si trovasse in un’altra Regione la Potenza cambierebbe. La media annua nazionale al SUD riporta un valore vicino a 1.280 kWh prodotti mediamente in un anno per ogni kW di potenza dell’impianto fotovoltaico, al Nord d’Italia la media è di 1.100 kWh per kW di picco.

Dal calcolo visto in precedenza al Nord sarebbe 1.110 x 2, 17=  2.408 kWh annui, in linea con i nostri calcoli, al Sud con un’analoga potenza avremo: 1.280 x 2, 17= 2.622 kWh annui.

DIMENSIONAMENTO PER AREA DISPONIBILE

Il dimensionamento dell’area disponibile per installare i pannelli fotovoltaici in funzione della potenza massima che vi necessita può essere la vera discriminate. Vediamo quanti metri quadri servirebbero per avere una potenza di 2,5 kWp, usando la formula.

Ipotizzando di usare moduli in Policristallino da 280 Watt in serie ne servirebbero 9 (280 x 9= 2500 Watt) e, usando la formula, occorrerebbero circa 18,15 m², in Monocristallino circa 14,12 m², e 29,2 m² con pannelli in silicio amorfo. 

Caratteristiche tecniche del Pannello fotovoltaico da 280 Wp 24 Volt

CARATTERISTICHE ELETTRICHE (STC*)

*STC: (Standard Test Condition) Irraggiamento 1000W/m², Temperatura Modulo 25°C, Massa d’aria 1.5.

Potenza di picco (Pmax)…………………………………………….280 Watt

Tolleranza di potenza………………………………………………. 0/+5 Watt

Tensione a Pmax (Vmp)……..……………………………………. 31,32 V

Corrente a Pmax (Imp)…………………………………………….. 8,94 A

Tensione di circuito aperto (Voc)…………………………….. 37,7 V

Corrente di corto circuito (Isc)………………………………… 9,7 A

Tensione massima di sistema…………………………………. 1500 V

Massimo valore nominale del fusibile……………………. 15 A

Efficienza Modulo…………………………………………………. 17,21%

Celle (policristalline)…………………………………………….. 60 (6×10)

Sezione cavi…………………………………………………………. 4 mm²

Peso…………………………………………………………………….. 13 Kg

Dimensioni………………………………………………………….. 16,40x992x40 mm

CARATTERISTICHE RISPETTO ALLA TEMPERATURA

NOCT: (Nominal Operation Cell Temperature) Sole 800W/m²; Temperatura ambiente 20°C; Velocità vento 1m/s

Coeff. temp. della potenza massima……………………………… 45±2 °C

Coeff. temp. della tensione di circuito aperto……………….. -0.43 %/°C

Coeff. temp. della corrente di corto circuito………………….  -0.32 %/°C

Temperatura di funzionamento…………………………………….  -40 °C ~ +85°C

Ipotizziamo che le temperatura minime e massime siano -10 e +70 e la temperatura di riferimento standard sia 25°C, calcoliamo la variazione di tensione di un modulo (alle temperature basse la tensione del fotovoltaico aumenta e alle alte diminuisce). Per fare questo userò la seguente formula:

Vmp (Temperatura Minima)= VMP + [KVoc + (T.min. – 25°C)]

Vmp (Temperatura Massima)= VMP + [KVoc + (T.max. – 25°C)]

Voc (Temperatura Massima)= Voc + [KVoc + (T.min. – 25°C)]

Dove:

Vmp è la tensione alla massima potenza come da specifiche tecniche del produttore;

Kvoc è il coefficiente di temperatura del Voc, espresso in V/°C, come da specifiche del produttore; per trasformare da (%/°C) in (V°/C) usare la formula: Voc (V/°C)= (%/°C) * Voc/100= V/°C

25°C è la temperatura standard di prova del produttore;
T.min e T.max sono le temperature minima e massima ambiente del luogo di installazione dell’impianto.
Voc è la Tensione circuito aperto (tensione massima di un dispositivo).

Nel nostro caso la Vmp= 31,32 Volt, la Voc= 37,7 Volt, e il coefficiente di temperatura del Voc= -0,43 %/°C, che trasformo in V/°C usando la formula:

Voc (V/°C)= (%/°C) * Voc/100= -0,43*37,7/100= – 0,162 V/°C

Tensione alla massima potenza minima= Vmp (Temperatura Massima)= Vmp + [KVoc * (T.max. – 25°C)]= 31,32+ [-0,162 * (70-25)]=24,03 Volt

Tensione alla massima potenza massima= Vmp (Temperatura minima)= Vmp + [KVoc * (T.min. – 25°C)]= 31,32+[-0,162*(-10-25)]=37 Volt

Tensione a vuoto massima= Voc (Temperatura minima)= Voc + [KVoc * (T.min. – 25°C)]=37,7+ [-0,162* (-10-25)]=43,3 Volt

Per sicurezza sceglierò tra i componenti dell’impianto fotovoltaico il valore maggiore tra la tensione a vuoto massima (43,3 V) e il 120% della tensione a vuoto dei moduli= 43,3 x 120%= 52 Volt; che sarà la tensione di riferimento.

Caratteristiche elettriche della stringa dei pannelli fotovoltaici:

Coeff. temp. della corrente di corto circuito (KIsc)= -0.32 %/°C=Isc (I/°C)= (%/°C) * Isc/100= -0,32*9,7/100=-0,03 I/°C

SCELTA DELL’INVERTER

 Per connettersi direttamente alla rete elettrica generale si installa un Inverter Monofase e prendo ad esempio un Inverter fotovoltaico monofase CC/CA in grado di gestire la tensione e i punti di massima potenza (MPPT) ottimizzando la potenza di ogni modulo, in conformità agli standard di Sicurezza IEC-62109-1/2, AS-3100.

 

DATI TECNICI

Potenza nominale in ingresso CC 3000 W; Tensione funzionamento MPPT: 70-450 VDC; tensione massima lato CC: 500 VDC; massima corrente in ingresso: 12 ADC; potenza nominale in uscita lato CA: 3080 Watt; tensione minima lato CA: 240 VAC; frequenza nominale 50 Hz; rendimento 95,5%, europeo 95%.
Le caratteristiche dell’Inverter vanno verificate con i valori di potenza, tensione, e corrente delle stringhe del fotovoltaico:

  • Verificare che la massima tensione a vuoto (Voc) ai capi della stringa sia inferiore alla massima tensione in ingresso sopportata dall’Inverter: nel nostro caso è 462 Volt, inferiore dei 500 Volt dell’Inverter (OK).
  • Verificare che la tensione alla massima potenza minima della stringa non deve essere inferiore alla minima tensione dell’MPPT dell’Inverter: nel nostro caso 216 è superiore a quella dell’Inverter 70 VDC (OK)
  • La tensione alla massima potenza massima della stringa non deve essere superiore alla massima tensione dell’MPPT dell’inverter: nel nostro caso è 333 Volt inferiore a 450 Volt dell’Inverter (OK)
  • La corrente di corto circuito (Isc) massima della stringa non deve essere superiore a quella massima sopportabile in ingresso dell’Inverter: nel nostro caso è 10,8 A minore di 12 A dell’Inverter (OK).

 DIMENSIONAMENTO DEI CAVI

I moduli, nel nostro caso, sono collegati in serie (9 moduli), e i cavi sono quelli in dotazione (2,5 mm²) che indicheremo con la sigla C1, e la stringa ottenuta viene collegata al quadro elettrico di campo (1) prima dell’Inverter con dei cavi unipolari che indicherò con C2 tipo FG21 M21 con una sezione di 2,5 mm² che hanno le seguenti caratteristiche: Cavo unipolare flessibile stagnato. Isolamento e guaina non propagante la fiamma. Tensione massima: 1800 V c.c.1200 V c.a. Temperatura massima di esercizio: 90°C Temperatura minima di esercizio: -40°C. Portata corrente in aria libera a 60°C per due cavi adiacenti 35 A, resistenza elettrica a max 20°C= 8,21 ohm/km. Massima temperatura del cavo in sovraccarico=120°C, coeficente di correzione della portata a 70°C= 0,91.

CARATTERISTICHE DEL CAVO FG21

La portata (Iz in A) dei cavi solari devono tenere conto del fattore 0,9 che riguarda la posa nei tubi dei cavi solari, e del fattore 0,91 che tiene conto della posa in tubi esposti al sole, per cui la portata alla temperatura di 70°C risulta: Iz= 0,9*0,91*35= 29 A (circa).

La portata del cavo è maggiore della corrente di corto circuito (Isc) massima della stringa del fotovoltaico, che è di 10,8 A.

Per il collegamento tra il quadro elettrico da campo(1) e l’Inverter si possono usare cavi da 2,5 mm² FG7 OR di lunghezza 1m (C3) posati in tubo protettivo con portata di 28 A (maggiore della corrente massima di stringa 10,8 A). I collegamenti tra Inverter e contatore di energia prodotta (C4): lunghezza 1 m, e tra il contatore e il quadro elettrico generale (2): lunghezza 4 m, useremo un cavo tripolare (fase+neutro+terra) FG7 OR da 2,5 mm²  posati in tubi protetti da 26 A, maggiore della corrente nominale in uscita dall’Inverter lato corrente alternata: Iz= Pmax /Vu*cosφn= 3000 (watt)/240*1=  12,5 A.

Ora verifichiamo se la caduta di tensione sia entro il 2% e usiamo la formula: ΔV%= (Pmax* K*L/S*(V alla massima potenza)²)*100 

ΔV= caduta di tensione; Pmax= potenza massima del fotovoltaico; K (ρ)= resistività; S= sezione del cavo; V = tensione alla massima potenza.

La lunghezza del cavo che collega i pannelli fotovoltaici (C1) tra loro è uguale a: 10m, la stringa e il quadro elettrico (1) è di 15m, e il cavo tra quadro elettrico e Inverter 1m. Totale 26m.

ΔV= [2500*(0,0175*10+ 0,0175*2*15+0,0175*2*1)/2,5*282² ]*100=  0,92% (inferiore al 2%). Dal conteggio ho trascurato la caduta di tensione tra Inverter e contatore di energia prodotta in quanto trascurabile, e nella formula, il valore della resistività, ho mantenuto il valore nominale (0,0175) alla temperatura di 20°C. 

DISPOSITIVI DI SICUREZZA E PROTEZIONE IMPIANTO

 

Secondo quanto previsto dalla norma CEI 64-8 (art. 712) la protezione contro le sovracorrenti deve essere prevista solo nel caso in cui la portata del cavo sia inferiore a 1,25 volte la corrente di cortocircuito calcolata in qualsiasi punto. Nel nostro caso sarebbe 13 A (10,8 x 1,25=13) inferiore alla portata del cavo (29 A), per cui è sufficiente un interruttore di manovra e sezionatore nel quadro elettrico 1  (quadro di campo)che serve a isolare l’impianto fotovoltaico in caso di lavori a valle. Secondo i dettami della norma 82-25, dovrà essere almeno di categoria DC21, ossia in grado di interrompere la corrente continua, e possono essere utilizzati gli S800 PV, disponibili sia nella versione interruttore di manovra (S800 PV-M).

Per la protezione delle sovratensioni di origine atmosferica, lato corrente continua (quadro elettrico 1 ; quadro di campo), si può utilizzare uno scaricatore OVR PV dedicato a questo tipo di applicazione con un collegamento ad Y per impianti fino a 1000 V. per la protezione dell’Inverter e dei moduli.

Il sezionatore da 16 A a valle dell’Inverter ha le stesse funzioni di quello nel quadro 1.

Sul lato corrente alternata, nel quadro generale, viene installato un interruttore magnetotermico differenziale (1) da 30 mA con corrente di corto circuito da 6 kA per proteggere dalle sovracorrenti la linea di collegamento all’Inverter e per la protezione dai contatti indiretti. Lo scaricatore con fusibile  installato nel quadro di ingresso protegge la parte in corrente alternata. Due ulteriori dispositivi di protezione e sezionatori sono gli interruttori magnetotermici (1) e (2) posti nel quadro generale e nel quadro di ingresso.

COLLEGAMENTO DELL’IMPIANTO SOLARE ALLA LINEA ELETTRICA CON ACCUMULO

Il sistema con accumulo per la CEI 0-21 è un insieme di dispositivi in grado di assorbire e rilasciare energia elettrica che funzionino in maniera continuativa in parallelo alla rete di distribuzione, oppure essere in grado di produrre un’alterazione dei profili di scambio con la rete stessa, come l‘immissione e il prelievo anche se viene determinata da sconnessioni/riconnessioni volontarie di una parte o di tutto l’impianto. I componenti principali in un sistema con accumulo elettrochimico sono le batterie, gli apparati di conversione mono o bidirezionali dell’energia, le protezioni, interruzioni e sezionamento in corrente continua e alternata, i sistemi di controllo delle batterie, e i convertitori.

TIPOLOGIE DI IMPIANTI AMMESSE DAL CEI (Comitato Elettrotecnico Italiano)

1.    Sistema di accumulo lato produzione Monodirezionale (le batterie si caricano solo con il fotovoltaico) è collegato sul lato corrente continua. Questo tipo di configurazione può essere installato sia su fotovoltaici esistenti che per nuovi impianti. I sistemi di accumulo lato produzione sono quelli in cui il pacco batterie e il sistema di controllo si trova tra i pannelli e l’Inverter, anche se esistono sul mercato degli Inverter con integrato il controllo delle batterie.

2.    Sistema di accumulo Bidirezionale. Il sistema di accumulo è in grado di assorbire energia sia dall’impianto di produzione che dalla rete(le batterie si caricano sia con l’impianto fotovoltaico che con la rete).

  • in questo caso l’impianto di accumulo è installato nella parte di impianto in corrente alternata, e può essere utilizzato su impianti esistenti senza modificare l’impianto solare che l’inverter esistente. In questo esempio ci sono due inverter distinti: uno collegato al fotovoltaico, e un’inverter bidirezionale collegato alle batterie. In questo caso la somma teorica del fotovoltaico sarebbe la somma dei due generatori.

3.   Sistema di accumulo lato produzione. Il sistema di accumulo viene installato tra l’impianto fotovoltaico e il misuratore di energia prodotta.

  • E può essere installato nella parte di impianto a corrente continua. Per questo tipo di impianto il contatore di produzione deve essere bidirezionale. 

  • Il sistema di accumulo è installato nella parte di impianto in corrente alternata a valle del contatore di produzione, e anche in questo caso il contatore dovrà essere bidirezionale.

4. Sistema di accumulo post produzione. Il sistema di accumulo viene installato tra il misuratore dell’energia prodotta e a quello di energia scambiata. Se serve il riconoscimento degli incentivi economici è necessario installare un ulteriore contatore (3) e i contatori 1, 2, e 3 devono essere bidirezionali.

Esistono in commercio dei sistemi integrati che si possono aggiungere all’impianto esistente senza modificarlo in modo significativo, e le batterie vengono ricaricate dalla corrente proveniente dall’Inverter, lo svantaggio è che lavorando sulla linea alternata è necessario effettuare una doppia conversione AC>DC e DC>AC abbassando l’efficienza complessiva del sistema.

I VARI SISTEMI

I sistemi con accumulo che si possono trovare in commercio, in linea generale, sono di tre tipi: on grid, che sono sempre connessi alla rete lato produzione; on grid, sempre connessi alla rete  lato post produzione; e off grid (quelli in isola), che non sono connessi alla rete elettrica.

ON GRID LATO PRODUZIONE  

Quelli sempre connessi alla rete lato produzione (on grid) hanno l’Inverter che controlla il pacco batterie e privilegiano l’energia prodotta dal fotovoltaico alimentando le utenze (televisore, router, frigorifero, ecc.) e caricano la batteria quando l’energia prodotta è in eccesso.

Di solito le priorità seguono questa logica:

  • Durante il giorno l’energia prodotta viene incanalata verso i carichi attivi in quel momento (televisore, router, frigorifero, ecc.).

  • Quando l’impianto non produce più energia per mancanza di sole (esempio alla fine della giornata), in modo automatico, l’Inverter preleva l’energia dal pacco batterie e la indirizza all’utenza attiva in quel momento.

Questo sistema sfrutta ogni kWh prodotto dall’impianto fotovoltaico e immette in rete solo l’energia eccedente.

ON GRID POST PRODUZIONE

Sono usati negli impianti fotovoltaici tradizionali (moduli + inverter), di nuova installazione o già installati, dove si aggiunge un apparato formato da un altro Inverter con caratteristiche diverse da quello del fotovoltaico, e il pacco batterie collegato a valle del contatore di produzione.

Come sistema è meno efficace di quello on grid in quanto l’energia utilizzata dai carichi subisce una prima trasformazione dall’Inverter del fotovoltaico: da corrente continua ad alternata, viene poi indirizzata al pacco batterie attraverso il secondo Inverter che trasforma la corrente alternata in continua, e infine resa disponibile alle utenze con una nuova trasformazione da continua ad alternata.

SISTEMI OFF GRID

Sono sistemi a “isola” non collegati alla rete elettrica, già visti in precedenza.

SISTEMI DI ACCUMULO

Negli impianti On Grid si possono utilizzare due sistemi di accumulo:

  1. Con Inverter e Batterie integrate in un unico contenitore. Apparato compatto, con minimo ingombro e di facile installazione su impianti di nuova realizzazione.

2. Indipendenti: Inverter e Batterie sono separati tra di loro. Con questo sistema il tecnico è in grado di configurare l’impianto in modo più preciso e secondo il carico del cliente, scegliendo tra le diverse tecnologie e capacità di accumulo.

BATTERIE

Le batterie per il fotovoltaico si distinguono per il materiale usato, l’efficienza, e i costi; e potremmo dividerle in questo modo:

Per scegliere quella che più si adatta al nostro impianto dobbiamo tenere in considerazione tre elementi:

  1. La Capacità. L’energia elettrica che è in grado di accumulare, espressa in kWh
  2. La potenza che è la velocità con cui riesce a immagazzinare o rilasciare energia
  3. Numero di cicli, che è il numero di cariche e scariche specificate dal costruttore.

Negli impianti fotovoltaici le categorie più usate sono quelle al piombo acido e al Litio.

ACCUMULO SU IMPIANTO ON GRID LATO PRODUZIONE ESISTENTE 

Per aumentare l’autoconsumo di elettricità solare generata da un impianto fotovoltaico residenziale è quello di dotarsi di un sistema di accumulo . In quanto lo “Scambio sul Posto”, ossia quel meccanismo che trasfor­ma l’energia immessa in rete in un valore economico che si può stimare tra il 50 ed il 70% del costo lordo dell’elettricità prelevata dalla rete, che va da 0,20 a 0,30 euro/kwh, per cui ga­rantisce un valore economico molto minore rispetto a quella assorbita dall’impianto fotovoltaico, per questo motivo  è importante ridurre quanto più possibile gli scambi di energia elettrica da e verso la rete, e l’accumulo di energia può rappresentare una soluzione efficace.

Un sistema di batterie, nel caso ci fosse un esubero nella produzione, consente di stoccare l’energia solare prodotta e non consumata durante il giorno, a parte quella che viene utilizzata per gli elettrodomestici in funzione. L’inverter carica le batterie con l’energia non utilizzata nell’immediato e questa può essere poi utilizzata quando se ne avrà bisogno, ad esempio la sera o al mattino presto.

Se prendiamo come esempio l’Impianto fotovoltaico in figura collegato alla rete elettrica senza accumulo e decido di aggiungere il pacco batterie (accumulo) lato corrente continua dovrò calcolare la potenza nominale del nuovo impianto come il valore minimo tra la potenza dell’Inverter e la somma tra il valore della potenza STC del fotovoltaico e la potenza nominale dell’accumulo che dovrà fare riferimento alla Norma CEI 0-21. La connessione potrà rimanere monofase in quanto non verrà modificata la PIR (Potenza di Immissione Richiesta), deve essere rivista nel caso si dovesse sostituire l’Inverter esistente, e questo non abbia i requisiti corrispondenti alla Norma CEI 0-21 ai fini dei servizi rete.

Per constatare che non si è verificato il superamento della potenza in emissione richiesta da parte del distributore si dovrebbe analizzare i dati mensili di potenza massima registrata in emissione o attraverso l’installazione di un limitatore automatico della potenza inserito nel contatore.

Si può accettare dal punto di vista normativo che la potenza complessiva in emissione superi temporaneamente il valore di potenza disponibile in emissione (pari al PIR) causando, eventualmente, l’intervento del limitatore automatico della potenza in emissione inserito nel contatore.

 

ESEMPIO DI BILANCIO ENERGETICO SU IMPIANTO FOTOVOLTAICO ESISTENTE

 

Scelta del sistema di accumulo:  per dimensionare un sistema di accumulo è quello di partire sempre dai consumi elettrici totali consultando le bollette degli ultimi 12 mesi considerando anche le diverse fasce orarie di consumo: F1, F2-F3, e poi di delineare il profilo dei propri consumi.

In linea di massima il consumo di energia elettrica annua per uso domestico pro capite, secondo i dati ISTAT, sono circa 1000 kW. Se avete difficoltà è consigliabile l’aiuto di un tecnico specializzato per valutare, tra le diverse soluzioni quella più adatta alle proprie esigenze.

Se disponete già di un impianto fotovoltaico si devono analizzare i seguenti dati:

DIMENSIONAMENTO

Dalla figura si può notare che la parte che eccede dall’energia prodotta dal fotovoltaico durante le ore di sole può essere immagazzinata per poi essere utilizzata durante le ore serali e notturne, riducendo al minimo l’energia scambiata con la rete.

Quello rappresentato in figura è uno scenario teorico e non reale, in quanto l’andamento mensile e giornaliero dei consumi di un’abitazione è molto diverso dall’essere una curva rego­lare, ma presenta invece dei picchi che variano anche di giorno in giorno e che sono difficilmente prevedibili. Anche la fonte solare è teorica: in quanto si alternano giorni di sole a quelli nuvolosi o di pioggia, con variazioni anche nello stesso giorno.

C’è anche un problema stagionale. Un impianto fotovoltaico da 2,5 kW di potenza può produrre nel nord Italia, in un anno, circa 2800 kWh, che nel caso visto in precedenza era di circa 2400 kWh anno, per cui anche più rispetto al fabbisogno. Purtroppo non è così, in quanto l’energia prodotta dall’impianto FV nei mesi estivi è più alta di quella generata dallo stesso impianto a dicembre o gennaio.

Se ipotizziamo che i consumi elettrici mensili di un’abitazione siano stabili nel corso dell’anno, con un innalzamento nei mesi invernali ed estivi, ci troveremmo quasi sempre a dover gestire una produ­zione solare sovrabbondante in estate e insufficiente in inverno.

ESEMPIO REALE

Un appartamento con due persone, senza pompe di calore per il riscaldamento e il raffrescamento, il consumo medio è stimabile con buona approssimazione a 2500 kWh/anno, e se voglio optare per un impianto fotovoltaico utilizzerò la formula:

Per cui opto per un impianto di 2,5 kW di potenza (per il dimensionamento vedere l’esempio precedente) .

Ora vediamo il consumo reale mensile e la produzione dell’impianto fotovoltaico in funzione della radiazione solare ricavata dal sito ENEA.

RADIAZIONE SOLARE SU UNA SUPERFICIE INCLINATA DI 30° AL NORD ITALIA

Per ricavare la produzione dell’impianto fotovoltaico mensile userò,  “empiricamente” ma attendibile, la formula per il calcolo della Potenza del fotovoltaico.

KWh/mese= PFV*h(radiazione mensile=giorni equivalenti)*30 giorni*K(0.8=perdite di sistema)

es. Mese di Gennaio: kWh/mese= 2,5*2,54*30*0,8= 152,4

Se verifichiamo i consumi annui con la Potenza del fotovoltaico, che è di 2,5 kW, si può notare che la produzione è leggermente superiore al fabbisogno, mentre su base mensile le cose sono diverse: da Ottobre a Febbraio il fabbisogno è superiore alla produzione, e la questione diventa più evidente su base giornaliera. Per esempio esaminiamo il giorno 27 di Febbraio. La produzione del fotovoltaico è di 10 kWh, mentre il consumo è di circa 9 kWh.

Scambio tra utenza e rete:

Energia immessa è di circa 4,5 kWh il 45%

Energia autoconsumata in modo istantaneo è di circa 4,9 kWh il 54%

Energia prelevata dalla rete circa kWh.

Per cui si evince che durante la giornata, probabilmente sera e mattina, si deve ricorrere all’energia della rete esterna.

Per ovviare o limitare al minimo il prelievo di energia dalla rete si può installare un sistema di accumulo (batterie) che sfrutti l’energia disponibile del fotovoltaico e renda l’energia accumulata nelle ore serali e mattutine.

Inseriamo nell’impianto un accumulo leggermente superiore all’energia netta autoprodotta: 2,7 kWh.

L’accumulo viene ricaricato dalla produzione dell’impianto fotovoltaico nelle ore di maggior produzione (es. dalle 10 alle 14) e rilascia l’energia accumulata nelle ore serali dove c’è la richiesta maggiore, lo scambio con la rete avviene, in emissione, quando l’accumulo è carico, e la produzione del fotovoltaico è superiore ai consumi.

In sintesi il bilancio è:

BILANCIO ENERGETICO:

Produzione: 10 kWh = al 100%, Autoconsumo istantaneo: 5,6 kWh = al 56%, Energia immessa: 2,8 0 al 28%, Storage (batterie): 2,7 kwh = al 16%, il Prelievo dalla rete – 2,7 kWhAUTOSUFFICIENZA: 8,3 kWh = all’83%.

Riassumendo si può dire che la simulazione ha portato alla constatazione del fatto che con l’installazione dell’accumulo l’energia immessa in rete è passata dal 45 % al 28% rendendola disponibile per i periodi di mancata o bassa produzione del fotovoltaico, è però importante che per  il dimensionamento della capacità della batteria vi siano i consumi quando il fotovoltaico non produca altrimenti l’impianto produrrebbe solo per l’autoconsumo rendendo superfluo l’accumulo. Per cui la capacità è proporzionale ai consumi F2 e F3.

In linea di massima ogni 1000 Kwh di consumi F2 e F3 corrisponde a 1,2 kWh di accumulo al Litio con scarica all’80% e 1,6 kWh per accumulo al piombo con scarica profonda al 50%.

L’accumulo da 2,7 kWh riesce in pratica ad azzerare o quasi le immissioni in rete da novembre a febbraio, e riduce gli scambi nei mesi rimanenti.