COME REALIZZARE UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO DOMESTICO (CALCOLO TEORICO)

                          IMPIANTO FOTOVOLTAICO

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

          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 Silicio AmorfoPolicristallinoMonocristallino, e celle fotovoltaiche in silicio amorfo con leghe di CIGS o CUdTe.  Prossimamente anche 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, che sono disponibili anche nella tradizionale struttura rigida,

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.

Celle fotovoltaiche  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.

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          CARATTERISTICHE DI UNA CELLA SOLARE O FOTOVOLTAICA

In generale le caratteristiche sono in funzione di queste variabili: intensità delle radiazioni solari , TemperaturaOrientamento, Inclinazione, e Area della Cella Le grandezze fisiche sono lIrradianza misurata in W/m², la Tensione (V), la Corrente (A), e la Potenza massima del dispositivo che sarà determinata dal prodotto Tensione x Corrente

DALLA CELLA SOLARE AL PANNELLO SOLARE

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

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

Più Moduli Solari o Fotovoltaici collegati tra di loro formano un PANNELLO SOLARE.

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

 

Più Stringhe in parallelo costituiscono il GENERATORE SOLARE O FOTOVOLTAICO.

RIASSUNTO

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

COLLEGAMENTO DEI PANNELLI SOLARI

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

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).

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

Una nota importante: se mettete i pannelli in serie o in parallelo la Potenza è sempre la stessa. Nei pannelli in serie la Potenza : P=V*I= 36*3,5= 126 Watt.   Quelli in parallelo P=V*I=10,5*12=126 Watt.

Per cui collegheremo i pannelli in modo da ottenere la tensione desiderata, mentre  con circuiti in parallelo aumenteremo la corrente, per raggiungere la potenza voluta del sistema.

Nella maggior parte degli impianti fotovoltaici si utilizza una combinazione di collegamenti in serie ed in parallelo. 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.

PANNELLI IN SERIE E PARALLELO

Se si mettono in parallelo più stringhe (Generatore Solare o anche Campo Fotovoltaico) di moduli fotovoltaici  (PFV) la corrente totale è data dalla somma della corrente in uscita da ogni stringa (3,5 x 3= 10,5 A).

La tensione totale del campo fotovoltaico è quella equivalente alla tensione generata da una singola stringa (12+12= 24 V).

La potenza totale teorica dell’impianto fotovoltaico è pari alla somma delle potenze generate da ogni singola stringa.

P.Tot= (V1*I1)+(V2*I2)+(V3*I3)= 252 W

V1=(V di PVF1+ V di PVF2)=V2=V3

I1=I2=i3

P.Tot = (24*3,5)+(24*3,5)+(24*3,5)= 252 W

Oppure il calcolo si può anche fare in questo modo. Come esempio: se colleghiamo in parallelo tre stringhe composte ciascuna da 2 pannelli da 12 V e 3,5 A, la tensione di uscita sarà di 2 x 12 V = 24 V e la corrente di uscita di 3 x 3,5 A per stringa = 10,5 A, per cui la Potenza complessiva fornita dal fotovoltaico sarà di 24 V x 10,5 A = 252 W, il triplo di quella fornita da una singola stringa.

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, e si effettua 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 dei Pannelli fotovoltaici (PFV) della prima stringa si sommano e vanno a sommarsi a quelli delle altre stringhe. 

 

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.

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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:

ENERGIA RICHIESTA GIORNALIERA

Il primo parametro da tenere presente quando si vuole realizzare un impianto fotovoltaico ad uso casalingo 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.

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

Un semplice esempio:
Se nella vostra abitazione avete un elettrodomestico che ha una potenza di 3 kW vuol dire che questo assorbe kW nell’unità di tempo. Per cui se lo  utilizzate per 1 h, questo consumerà: 3 kW x 1h = 3kWh.

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 200 Watt, indipendentemente che siano alimentate a 220 V o a 12 V.

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 si vuole  alimentare con un impianto fotovoltaico un Televisore, un Computer portatile, uno Stereo, un Decoder, una Playstation, e ricaricare uno Smartphone: devo 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:

  • Televisore :        150 Watt    x  6 ore = 900 Wattora
  • Computer :         30   Watt    x  8 ore = 240 Wattora *
  • 4 Smartphone: 26 Watt     x 1  ora =    26  Wattora **
  • Stereo:                   60 Watt     x 4 ore =  240 Wattora
  • Decoder:               20 Watt     x 6 ore =  120  Wattora
  • Playstation 3: 185 Watt     x 4 ore =  740 Wattora
  • TOTALE:            471 Watt                            2386 Wattora (2.4 kWh)

* Computer Portatile

**Un normale caricabatteria assorbe tra i 3 e 7 Watt, e ammettiamo che in famiglia ne abbiamo 4.

La potenza totale contemporanea per il loro funzionamento è di 471 Watt , e il fabbisogno totale di energia è di 2386 Wattora che approssimiamo a 2400 Wattora (2.4 kWh). (Vedi differenza tra kW e kWh)

CALCOLO DELLA POTENZA DEL FOTOVOLTAICO (PANNELLO SOLARE)

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 ENEA, PVGIS per verificare l’Irraggiamento in kWh/m² anno e ricavare le ore sole equivalenti giornaliere (hse/g).

Per esempio in Lombardia, con una superficie inclinata di 30°, è di 4,28 kWh/m² di irraggiamento giorno, che corrisponde a una media di sole equivalente giorno di 4,28 (hse/g).

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.

PL= 2400 (Wh)/ 4,28 (hse/g= ore sole giornaliere)= 561 Wp

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:

PFV= PL/η sistema (η sistema=64%)= 561/0,64= 876 Wp

La formula generale è:

PFV (Wp)=(Wh/hse/g)/0,64

PFV= Potenza effettiva del fotovoltaico in Wp; Wh= wattora utilizzatihse/g (irradianza)= ore sole; Perdite di sistema0,64.

CALCOLO AUTOMATICO DELLA POTENZA NOMINALE DEL FOTOVOLTAICO (Wp)

SCELTA DELLA TENSIONE DEL FOTOVOLTAICO

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 Wp.

Nel nostro esempio, per una Potenza di 876 Wp possiamo dimensionare la Tensione a 12 o 24 Volt:

Con una tensione a 12 Volt la Corrente circolante sarà 73 Ampere.

Con  una  Tensione di 24 Volt, sarà di 36,5 Ampere.

I=PFV/V= 750/12= 73 A 

I=PFV/V= 750/24=36,5 A

Per il nostro caso potremmo usare 2 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 femmina per uscita 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

CAPACITA’ DI ACCUMULO DELLA BATTERIA

Se non vogliamo sprecare la Potenza 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) ancora oggi più idonee sono quelle al piombo, 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.

COME CALCOLARE LA CAPACITA’ DELLA BATTERIA (Ah)

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 CAPACITA’ DI ACCUMULO (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 la Capacità totale basta moltiplicare il fabbisogno di energia giornaliera in Wattora o kWh per il numero dei giorni per cui si intende mantenere la carica. 

Energia totale x i giorni: 2400 x 4= 9600 Wh (estivo);  2400 x 8= 19.200 Wh (invernale). 

(2400 Wh è il consumo teorico che abbiamo ipotizzato :Televisore, computer, ecc.).

Io utilizzerò 6 Giorni, che penso vada bene per entrambe le stagioni.

Utilizzando il calcolatore automatico per la capacità di accumulo inserirò come Wh2400, come tensione del fotovoltaico 24 Volt, e giorni 6.  Il risultato sarà di: 750 Ah se la scaricherò all’80%, e 1380 Ah se la scaricherò al 50%.

Per questa tipologia di impianti si potrebbero utilizzare batterie al piombo acido o piombo gel  (es.AGM) che, come avevo anticipato, devono essere scaricate al 50% della capacità nominale, o all’80 % se si usano batterie al Litio.

TEMPO DI CARICA E SCARICA DI UNA BATTERIA

COLLEGAMENTO BATTERIE

Le batterie possono essere collegate in Serie , in Parallelo, o Serie/Parallelo. In serie si somma la Tensione e rimane invariata gli Ampere-ora (Ah), in Parallelo si sommano gli Ampere-ora e rimane invariata la Tensione, in Serie/Parallelo si somma sia la Tensione del ramo in serie e gli Ampere-ora del ramo in parallelo. 

Le capacità delle batterie in commercio sono di: 120 Ah, 12 Volt; 157 Ah, 12 Volt; 200 Ah, 12 Volt; 400 Ah, 12 Volt; 200 Ah, 24 Volt; 240 Ah, 6 Volt.

Per il nostro progetto potremmo utilizzare 4 batterie ( Litio) da 200 Ah, 24 Volt in parallelo, con la scarica all’80% della sua capacità nominale. 

Oppure potremmo utilizzare 7 batterie da 200 Ah, 24 Volt al Piombo (AGM), in parallelo, con la scarica al 50% della sua capacità nominale. Ed è la soluzione per il nostro progetto.

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REGOLATORE DI CARICA 

La Tensione in uscita dal pannello solare non è regolare e può essere anche elevata. Per questo motivo è necessario un controllore o regolatore di caricache ha come funzione principale quella di regolare la Tensione adeguandola a quella necessaria per caricare la batteria, evitando sovraccarichi. Il regolatore è inserito tra la batteria ed il pannello solare, e interromperà l’invio della corrente elettrica alla batteria una volta che questa è carica, o escluderà il carico (es. delle lampadine) nel caso che la batteria sia in scarica profonda.

DIMENSIONAMENTO

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

Se utilizzassimo un regolatore di carica di tipo PVM 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 si deve verificare la potenza massima (Wp) dei moduli installati e che sia, al massimo quella, che è indicato nella scheda tecnica, in base anche alla tensione di batteria (es. a un regolatore di carica MPPT da 30 Ampere di portata, e con una batteria di 12 Volt, si può, al massimo, collegare una potenza fotovoltaica di 360 Watt (P= V x I= 12 x 30= 360 Watt),  e 720 Watt con una batteria di 24 VoltUtilizzando la formula: P=V x I ).

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 batterie, mentre 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 PVM 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).

PWM

Nel nostro caso, 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  in base a quelli disponibili sul mercato: 6 A, 10 A, 12 A, 20 A, 30 A, 45 A,ecc. 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 !!!

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.

Esempio: nel nostro caso la Potenza del Fotovoltaico è di 1000 Watt e il pacco batterie è 24 Volt. Usando questa formula troveremo il valore:

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

Per il nostro impianto sceglierò un Regolatore  MPPT da 60 Ampere

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 

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DIMENSIONAMENTO DELL’INVERTER

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

ma se voglio alimentare altri apparati devo per forza utilizzare un Inverter che trasforma la corrente continua in alternata a 220 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. Es. Nel nostro caso se funzionano contemporaneamente tutti gli apparati si avrebbero 471 Watt senza spunti.

  • Televisore :        150 Watt
  • Computer :         30   Watt
  • Smartphone:      26 Watt
  • Stereo:                   60 Watt
  • Decoder:               20 Watt
  • Playstation 3: 185 Watt
  • TOTALE            : 471  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 piccoforma d’onda in uscita sinusoidale pura, Tensione in uscita: 220V, Tensione di ingresso: 12/ 24/ 48 VoltFrequenza di uscita: 50Hz, Tasso di conversione: 93%, con 6 tipi di protezione intelligente contro sovraccarico, alta tensione, bassa tensione, surriscaldamento, inversione di polarità, cortocircuito.

Per cui potremmo installare 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).

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

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.

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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 un 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 potrebbero utilizzare i seguenti fattori: 1,56 per la corrente e 1,2 per la tensione. Questi valori coprono la maggior parte delle variazioni dovute all’installazione.

Di norma tutti gli impianti fotovoltaici che hanno tre o più stringhe collegate in parallelo è indicato una protezione per ciascuna stringa. Se ne hanno di meno la corrente che possono generare non è in grado di danneggiare i moduli in caso di guasto, tutto questo vale se il conduttore è dimensionato correttamenteio li metterei ugualmente sia sul filo positivo che su quello negativo . Se le stringhe in parallelo sono da tre in avanti un fusibile in ciascuna stringa proteggerà cavi e moduli da guasti dovuti a sovracorrente. 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 in modo adeguato, e deve essere almeno uguale a: 1,56 x Isc (Corrente di corto circuito), ma come detto in precedenza io per sicurezza metterei un fusibile in ogni stringa, che deve avere i seguenti parametri in base:

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

Se le stringhe sono maggiori di tre il fusibile a ogni stringa deve avere i seguenti parametri in base:

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

Nel nostro caso 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 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, nel nostro caso è da 50 A.

PROTEZIONI  GENERATORE FOTOVOLTAICO 

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

  • Fusibile (2) da installare tra l’uscita del regolatore di carica (morsetti 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 tensione è la SCATOLA DI GIUNZIONE FOTOVOLTAICA.

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

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

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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, che 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*metroL 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 = caduta di tensione; K 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); e 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 caso, 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:

S = K * I * Lc /cV

Dove: K è la resistività e nel rame è uguale a 0,0175 Ohm*metro, S è la sezione del cavo in mm²I è 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.

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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 caso: i pannelli sono 4; la corrente 5,95 A; la tensione 42 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.

Arriviamo allo stesso risultato con la formula: S = K * I * Lc / cV= 0,0175*12,3*20/0,48=8,96 mm² 

dove K= resistività:0,0175; I = corrente massima (Isc) circolante, nel nostro caso 6,15 x 2=12,3 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: S = K * I * Lc/ cV= 0,0175*12,3*10/0,48= 4,48 mm²

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%=(((Pmax* K*Lc)/(S*V alla massima potenza²))*100 

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

ΔV%=((1000*0,0175*20)/(10*42²))*100=1,98% (inferiore al 2% per cui va bene).

CARATTERISTICHE DEL CAVO FG21

CALCOLO SEZIONE CAVI DA BATTERIA A 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 più o meno lo stesso se usiamo la formula: S = K * I * Lc / cV= 0,0175*42(I=W/V=1000/24=42)*6/0,48=9,18 mm²

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 0,75 kWp usando la formula.

Con pannelli in Monocristallino occorrono circa 4,2 m²con pannelli in Policristallino 5,4 m²e 8,7 m² con pannelli in silicio amorfo.

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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, ma per chiudere il cerchio del mio progetto devo prevedere anche la possibilità, nel caso che nei mesi invernali i giorni senza sole superino quelli che abbiamo stabilito, di evitare che il regolatore di carica scolleghi le batterie in quanto scariche e di trovarci senza energia. Una soluzione può essere quella di installare un Commutatore che permette di deviare automaticamente il prelievo di corrente 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.

 

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.