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REALIZZARE UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO A ISOLA CON INVERTER IBRIDO IN FORMATO CARTACEO
Lo potete scaricare gratuitamente acquistando il manuale “Progettare un impianto fotovoltaico in parallelo con la linea elettrica”.
PROGETTARE UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO IN PARALLELO CON LA RETE ELETTRICA
TIPI DI IMPIANTI FOTOVOLTAICI
Gli impianti fotovoltaici in linea generale si dividono in Off Grid o Impianto a Isola e On Grid.
L’impianto Off Grid non è collegato alla rete elettrica nazionale ed è completamente autonomo,
mentre l’On Grid è collegato alla rete elettrica nazionale e ne è parte integrante.
Un’altra differenza è quella che l’Off Grid necessita delle batterie di accumulo mentre per l’On Grid sono facoltative.
Negli impianti Off Grid con appositi Inverter ibridi è possibile collegarsi a un generatore di corrente elettrica o alla rete elettrica nazionale e prelevare la tensione quando le batterie sono scariche o c’è la necessità di energia supplementare, ma non è possibile immettere energia in rete e, in questo caso, non è necessario nessuna autorizzazione verso il GSE, ma la normativa CEI 0-21 asserisce che : l’impianto a isola su rete del DSO (Distribution System Operator) non è mai ammessa, salvo casi regolamentati su specifica richiesta del DSO, ovvero quando l’impianto di produzione dell’Utente alimenta l’intera rete o parte
dalla rete del DSO. Per cui è bene verificare che tali inverter rispettino la normativa CEI 0-21.
In queste pagine vi descriverò su come:
REALIZZARE UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO DOMESTICO NON CONNESSO ALLA RETE ELETTRICA
Un impianto fotovoltaico non connesso alla rete elettrica prende il nome di: Off Grid o a Isola.
L’impianto fotovoltaico a Isola è normalmente composto da uno o più pannelli solari, da un regolatore di carica, dalle batterie, e dall’inverter.
Non essendo connesso alla rete pubblica il surplus di energia prodotta dall’impianto si può accumulare nel pacco batteria,
e venir utilizzarla nel momento del bisogno, a esempio quando il fotovoltaico non genera.
Vi spiegherò, dopo una introduzione generale, le basi di come progettare un impianto fotovoltaico domestico indipendente, completamente scollegato dalla rete elettrica (a esempio dove non ci sia la rete pubblica).
E lo stesso impianto progettato con un inverter ibrido che potrebbe anche per prelevare energia elettrica dalla rete pubblica o da un generatore (verificare che tali inverter rispettino la normativa CEI 0-21) 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.
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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:
- Monocristallino. La 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 Amorfo. 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, 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.
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CARATTERISTICHE DI UNA CELLA SOLARE O FOTOVOLTAICA
In generale le caratteristiche sono in funzione di queste variabili:
Le grandezze fisiche sono:
- l‘Irradianza 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.
- 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 parallelo, o 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 potenza, non 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 Ampere: abbastanza 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: 6 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.
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 PER CORRENTE INVERSA
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.
OTTIMIZZATORI DI POTENZA PER FOTOVOLTAICO
Un altro metodo per ovviare ai problemi dovuti agli ombreggiamenti, guasti, ecc. si possono usare gli ottimizzatori di potenza.
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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.
COME REALIZZARE UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO A ISOLA
Il seguente progetto sarà relativo alla realizzazione di un impianto fotovoltaico a isola per la produzione di energia elettrica tramite la conversione fotovoltaica.
L’impianto fotovoltaico sarà formato dal generatore che è l’insieme dei pannelli fotovoltaici, dal regolatore di carica, la batteria, e l’inverter: come si vede dallo schema a blocchi.
SCHEMA A BLOCCHI
DIMENSIONAMENTO
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.
ESEMPI DI POTENZA ASSORBITA
Se volessimo, per fare un esempio, creare una postazione di lavoro per due persone connesse a Internet da usare come smart working, non collegata alla rete elettrica ma alimentata solo con il fotovoltaico, dovremmo avere: 2 Computer portatili, 1 Router, 1 stampante, 1 Switch, 2 lampade a led.
Per calcolare l’Energia giornaliera necessaria per alimentare la postazione di lavoro dovremo sommare le varie Potenze in Watt che trovo scritto nell’etichetta sotto l’apparato o sul libretto di istruzione, e poi moltiplicarle per le ore di utilizzo.
Nel nostro esempio ho calcolato l’energia giornaliera utilizzata da un posto di lavoro che sarà di 1,7 kWh:
Per calcolare la potenza che deve avere il fotovoltaico per generare l’energia di cui abbiamo bisogno utilizzo la seguente espressione:
Dove: PFV = Potenza del fotovoltaico in kW; Eg= consumo di energia giornaliera in kWh; Irr= irraggiamento medio giornaliero del mese scelto (es. febbraio) su una superficie inclinata in kWh/m²; K= perdite di sistema ‹Per calcolare la perdita: 1 – (Ps/100)›.
L’irraggiamento (l’energia per unità di area) misurato in kWh/m² è derivata dalla radianza che è data dalla radiazione del sole che arriva sulla terra in modo diretto e diffuso; e se la superficie è inclinata, alla radiazione globale si deve sommare la radiazione riflessa. Per cui la radiazione globale sarà data dalla somma della radiazione diretta, diffusa, e riflessa.
Per trovare l’irraggiamento del posto dove dovrò installare il fotovoltaico avrò bisogno dei seguenti dati:
- latitudine
- longitudine
- azimut o orientamento
- inclinazione o tilt della falda
- riflessione (coefficienti di Albedo)
- ombreggiamenti
Latitudine e longitudine le trovo collegandomi a esempio con Google Heart dove inserisco la via e la città (vedi foto).
Azimut o orientamento: indica la direzione orizzontale da Est a Ovest del generatore fotovoltaico.
Per calcolarlo lo posso fare empiricamente. Ammettiamo che la falda del tetto dove vorrei installare i pannelli fotovoltaici fosse posizionato rispetto al sud come si vede nella foto.
Con un programmino che trovo in Internet (https://www.geogebra.org/classic?lang=it) calcolo l’angolo rispetto al sud
Che in questo caso è – 67,4° in quanto per convenzione i gradi verso est hanno il segno meno.
Inclinazione o tilt della falda: è l’angolo di inclinazione del tetto dove è posato l’impianto fotovoltaico, e lo trovo con lo stesso programmino di prima, e in questo esempio è circa 26°.
Se i moduli sono disposti su più file su una terrazza o a terra dovranno mantenere una distanza tale da evitare ombreggiamenti, ed è un buon compromesso quando non ci sono ombreggiamenti nelle ore centrali del solstizio invernale.
Sintetizzando se consideriamo l’altezza utile (h) la proiezione sul piano verticale, e β l’angolo limite al di sotto del quale i moduli delle file posteriori subiscono l’ombreggiamento della fila anteriore, la distanza tra le file deve essere almeno tre volte l’altezza utile.
La radiazione riflessa dipende dalla natura del terreno e tale capacità viene quantificata tramite i coefficienti di Albedo che è il rapporto tra la radiazione riflessa da una superficie e la radiazione incidente sulla superficie stessa.
I coefficienti di Albedo possono assumere valori compresi tra 0 e 1.
Alcuni coefficienti di Albedo:
Nel nostro esempio scelgo l’asfalto invecchiato e avrò un coefficiente di Albedo di : 0,10
Ombreggiamenti: l’ombreggiamento dei moduli riduce l’irraggiamento su di una parte del campo FV e diminuisce la produzione di energia. Può essere provocato dalle ombre prodotte dagli edifici, alberi, tralicci, camini, antenne, ecc.; in questo esempio non ci sono ostacoli.
Ora ho tutti i dati da inserire nel sito di ENEA (www.enea.it) e sono:
- Azimut: -67,4°
- Tilt: 26°
- Orientamento: latitudine 45° 41’ 15” / longitudine 8° 58’ 50”
- Riflessione (coefficienti di Albedo): 0,10
- Nessun ombreggiamento
I risultati della radiazione globale solare sono i seguenti:
Perdite di sistema (vedi scheda):
Per calcolare le perdite di sistema da inserire nell’espressione del calcolo della potenza del fotovoltaico uso:
1- Ps/100= 1- 36/100=0,64
Con a disposizione tutti gli elementi posso calcolare la potenza del generatore fotovoltaico utilizzando l’espressione vista in precedenza dove:
Eg= energia consumata giornalmente= 1,7 kWh; Irr= radiazione giornaliera: scelgo quella di febbraio = 2,34 kWh/m²; K= 0,64 sono le perdite di sistema.
Che porterò a 1,2 Kw.
Se ci fosse sempre sole l’energia prodotta sarebbe come si vede nel grafico.
Ma siccome non sempre c’è il sole è necessario avere delle batterie che immagazzinano una parte dell’energia quando il fotovoltaico produce, e la cede quando necessita.
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:
120 Ah, 157 Ah, 200 Ah, 400 Ah, ecc.
100 Ah, 120 Ah, 140 Ah, 160 Ah, 200 Ah, 240 Ah, ecc.
Vedi anche: TEMPO DI CARICA E SCARICA DI UNA BATTERIA
Per la maggior parte delle batterie a ciclo profondo è buona norma scaricarle al 50% della capacità nominale se si tratta di batterie al piombo acido e gel, o all’80% / 90% se si tratta di batterie al Litio.
Per calcolare la capacità delle batterie al piombo acido e gel utilizziamo la seguente relazione:
Dove: CB= capacità batteria in Ah; Et= consumo di energia in Wh; Ng= numero dei giorni di utilizzo; VFV=Tensione fotovoltaico; 0,5= profondità di scarica massima e si calcola in questo modo: 1-Scarica minima/100= 1- 50/100= 0,5; 0,92= l’efficienza totale indica quale percentuale di energia accumulata è realmente disponibile e di solito varia dal 70 al 95 %.
Per le batterie al Litio il calcolo è il seguente:
Dove: CB= capacità batteria in Ah; Et= consumo di energia in Wh; Ng= numero dei giorni di utilizzo; VFV=Tensione fotovoltaico; 0,8= profondità di scarica massima e si calcola in questo modo: 1-Scarica minima/100= 1- 20/100= 0,8.
Per il nostro esempio utilizzerò delle batterie al piombo gel: la tensione del sistema è di 24 Volt, il consumo medio giornaliero di energia sarà di 1700 Watt, e i giorni di autonomia della batteria saranno 3.
Utilizzerò 2 batterie in serie e 2 in parallelo da 200 Ah ognuna, per una capacità totale di 400 Ah/24 Volt, ed energia equivalente di 9,6 kWh (Wh=V * Ah= 24 * 400= 9600 Wh o 9,6 kWh)
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REGOLATORE DI CARICA
Il regolatore di carica ha come funzione principale quella di regolare la corrente prodotta dal pannello fotovoltaico e mantenerla costante e corretta, adeguandola a quella necessaria per caricare la batteria, evitando sovraccarichi.
Il regolatore interromperà l’invio della corrente elettrica alla batteria una volta che questa è carica, o escluderà il carico nel caso che la batteria sia in scarica profonda.
Esistono due tipi di regolatori: PWM (Pulse Width Modulation) e MPPT ( Maximum Power Point Tracking).
Nel nostro esempio useremo un regolatore MPPT che è in grado di inseguire costantemente il punto di massima potenza che il pannello fotovoltaico è in grado di generare in quel momento, a seconda dell’irraggiamento solare.
DIMENSIONAMENTO REGOLATORE DI CARICA
In linea generale tutti i regolatori di carica devono essere selezionati in base al valore massimo di corrente che transita nell’apparato. La corrente viene calcolata dividendo la potenza in Watt per la tensione in Volt (I=P/V), e i valori li trovate nei dati di targa del fotovoltaico.
Con il regolatore MPPT la tensione da utilizzare per il calcolo è quella del gruppo batteria.
Nel nostro esempio la potenza è di 1380 Watt che dividerò per 24 Volt e avrò una corrente di 57,5 Ampere per cui utilizzerò un regolatore di carica da 60 Ampere.
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.
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GENERATORE FOTOVOLTAICO
Per questo esempio il generatore fotovoltaico sarà formato da 2 stringhe di tre moduli da 230 Wp in serie messe in parallelo.
CARATTERISTICHE ELETTRICHE DEL GENERATORE FV
- Potenza massima : 230 * 6= 1380 Watt
- Tensione Vmp : 28,4 * 3= 85,2 Volt
- Corrente Imp : 8,1 * 2 = 16,2 Ampere
- Corrente Isc : 9 * 2= 18 Ampere
- Tensione Voc : 36,6 * 3= 109,8 Volt
CARATTERISTICHE DEL PANNELLO FOTOVOLTAICO RISPETTO ALLA TEMPERATURA
È errato pensare che più alta sia la temperatura maggiore è la produzione di energia, i pannelli solari rendono meglio con una temperatura intorno ai 25°C (alle temperature basse la tensione del fotovoltaico aumenta e alle alte diminuisce).
Vi ricordo che la Potenza è data dalla tensione moltiplicata per la corrente (P=V*I unità di misura il Watt), per cui a parità di corrente un aumento di tensione comporta un aumento della potenza.
Questo dato è importante per il corretto accoppiamento tra Generatore fotovoltaico e Regolatore di carica.
Ipotizzando che la temperatura minima e massima sia -10 e +70 e la temperatura di riferimento standard (STC) sia 25°C, possiamo calcolare la variazione di tensione di un modulo usando il seguente metodo:
(1) Tensione massima del modulo Vmp(T)= Vmp (SCT) + [KVmp * (T.min. – 25°C)]
(2) Tensione minima del modulo Vmp(T)= Vmp(SCT) + [KVmp * (T.max. – 25°C)]
(3) Tensione massima del modulo Voc(T)= Voc(SCT) + [KVoc * (T.min. – 25°C)]
(4) Corrente massima del modulo Isc(T)= Isc(SCT) + [KIsc * (T.max. – 25°C)]
Dove:
Vmp = è la tensione alla massima potenza come da specifiche tecniche del produttore; Kvoc = è il coefficiente di temperatura della tensione a circuito aperto (Voc), espresso in V/°C come da specifiche del produttore; Kvmp= è il coefficiente di temperatura della tensione alla massima potenza (Vmp) in V/°C; 25°C= è la temperatura standard di prova del produttore; T.min e T.max= sono le temperature minima e massima ambientali del luogo di installazione dell’impianto; Voc= è la Tensione circuito aperto (tensione massima di un dispositivo); KIsc= Coefficiente di temperatura della corrente di corto circuito (Isc).
(1) = Tensione massima del modulo alla minima temperatura;
(2) = Tensione minima del modulo alla massima temperatura;
(3)= Tensione massima del modulo a circuito aperto (Voc) alla minima temperatura;
(4)= Corrente massima del modulo in corto circuito (Isc) alla temperatura massima;
Per trasformare la Voc da (%/°C) in (V°/C) usare la formula:
V/°C= (%/°C) * (Voc/100)
A/°C= (%/°C)* (Isc/100)= 0,05*(9/100)=0,0045
Ora vediamo se è corretto l’accoppiamento tra il generatore fotovoltaico e il regolatore di carica. Per fare questo dovremo verificare che:
- La massima tensione Vmp del generatore fotovoltaico alla minima temperatura (-10°C) deve essere minore della massima tensione (Vmpp) del regolatore.
- La minima tensione Vmp del generatore fotovoltaico alla massima temperatura (70°C) deve essere maggiore della minima tensione (Vmpp) del regolatore.
- La tensione a vuoto (Voc) del generatore fotovoltaico alla minima temperatura (-10°C) deve essere minore della massima tensione del regolatore.
- La tensione a vuoto (Voc) del generatore fotovoltaico alla minima temperatura (-10°C) deve essere minore della tensione massima di isolamento del regolatore.
- La potenza del campo fotovoltaico deve essere inferiore alla potenza massima di ingresso al regolatore.
- La corrente massima (Isc) della stringa non deve superare la massima corrente in ingresso all’inverter.
- La massima tensione a -10 °C Vmp(T): Vmp + [KVmp * (T.min. – 25°C)]= 85,2+ [-0,14 * (-10 – 25)]= 90,1 V (90,1 Volt è inferiore a 140 Vmpp del regolatore).
2) La minima tensione a 70 °C Vmp(T): Vmp + [KVmp * (T.min. – 25°C)]= 85,2+ [-0,14 * (70 – 25)]= 78,9 V (78,9 Volt è maggiore di Vmpp minima di 0 Volt del regolatore).
3)Tensione massima a vuoto Voc(T): Voc + [KVoc * (T.min. – 25°C)]= 109,8+[-0,14*(-10-25)]= 114,7 V (114,7 Volt è inferiore alla tensione massima del regolatore di 140 V).
4)Tensione massima a vuoto (Voc) alla temperatura di -10°C di 114,7 Volt è inferiore alla tensione massima di isolamento di 1000 Volt.
5) La corrente massima Isc alla massima temperatura= Corrente massima del modulo Isc(T)= Isc + [KIsc * (T.max. – 25°C)] = 9+[0,0045*(70-25)]= 9,2 A che all’ingresso del regolatore sarà di (9,2*2) 18,4 A inferiore alla corrente massima del regolatore di 60 A.
6) La potenza del campo fotovoltaico 1380 Watt è inferiore alla potenza massima di ingresso al regolatore che è di 1600 Watt.
TUTTE LE CONDIZIONI SONO RISPETTATE
RIASSUNTO
INVERTER
Per poter alimentare gli apparati devo trasformare la corrente continua in alternata e per fare questo utilizzerò un Inverter.
Il dimensionamento viene fatto in base alla potenza massima richiesta dall’utenza, tenendo conto degli spunti. Nel nostro caso se funzionano contemporaneamente tutti gli apparati si avrebbero 375 Watt senza spunti.
- 2 Lampade: 10 Watt
- 2 Computer : 260 Watt
- 1 Router: 20 Watt
- 1 Stampante: 55 Watt
- 1 Switch: 30 Watt
- TOTALE: 375 Watt
Ne sceglierò uno da 600 Watt.
RIASSUNTO
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CAVI FOTOVOLTAICO
Il cablaggio elettrico avverrà per mezzo di cavi con conduttori isolati in rame con le seguenti prescrizioni:
- Sezione delle anime in rame calcolate secondo norme CEI-UNEL/IEC
- Tipo FG21 se in esterno o FG16 se in cavidotti su percorsi interrati
- Tipo FS17 se all’interno di cavidotti di edifici
Inoltre i cavi saranno a norma CEI 20-13, CEI20-22II e CEI 20-37 I, marchiatura I.M.Q., colorazione delle anime secondo norme UNEL.
Per non compromettere la sicurezza di chi opera sull’impianto durante la verifica, o l’adeguamento, o la manutenzione, si deve rispettare la seguente colorazione:
Conduttori di protezione: giallo-verde (obbligatorio)
Conduttore di neutro: blu chiaro (obbligatorio)
Conduttore di fase: nero / marrone
Il conduttore per circuiti in corrente continua dovrà avere indicato chiaramente il segno “+” per il positivo, e si potrebbe usare un cavo di colore rosso,
e il segno “–“ per il negativo; e si potrebbe usare il colore nero.
CAVI DI STRINGA
Per il nostro esempio utilizzeremo dei cavi da 4 mm², dal generatore fotovoltaico al regolatore di carica e potrebbero essere tipo S1Z2Z2-K.
Ora verifichiamo se la portata del cavo è in grado di sopportare la corrente circolante.
La portata di un cavo (Iz) se i due cavi sono posati in fascio nel medesimo tubo alla temperatura massima di funzionamento di 70°C (la temperatura di riferimento è 30°C) e la temperatura massima di isolamento 120 °C, vale:
Iz= k1*k2*Io = 0,74*0,8*0,9*43 A= 22,9 A
Dove:
k1= fattore di correzione per la temperatura di 70°C, diversa da 30°C
k2= 0,8 fattore di correzione per due circuiti in fascio (vedi tabella norma Cei-Unel 35024/1)
0,9= riduzione della portata del 10% per posa in tubo (e non in aria),
Io= 43 A che è la portata del cavo di 4 mm² in aria libera alla temperatura di 30°C.
Per cui la portata Iz =22,9 A del nostro impianto è maggiore della corrente di cortocircuito Isc massima delle stringhe che è di 18 A.
CADUTA DI TENSIONE
La caduta di tensione (∆V) del cavo tra il generatore fotovoltaico e il regolatore di carica deve essere inferiore al 2%, per cui verifichiamo utilizzando la seguente formula:
Dove: ρ1= resistività del rame 0,0175 Ωmm²/m a 30 °C; per i cavi di stringa si assume la temperatura di 70°C a cui corrisponde ρ2= 0,0175 (1 + 0,004 (70-30))= 0,021 Ωmm²/m, s= sezione del cavo. Vmp = tensione totale del FV; Pmax= potenza totale del FV.
Per prima cosa verifichiamo la lunghezza dei cavi di sezione 4 mm² fino al quadro elettrico sezione c.c.:
- Le connessioni tra i moduli di stringa (L1)= 6(1+0,5)m=9 m
CAMPO FOTOVOLTAICO
- Il collegamento tra la stringa e il regolatore di carica (L2) = 2 x 7=14 m (è stata considerata la stringa inferiore che presenta il collegamento più lungo= 7 m e si riferisce alla lunghezza del cavo tra il modulo più esterno della stringa e il regolatore di carica).
- Lunghezza totale= L1+L2= 9 + 14= 23 m
La caduta di tensione ∆V%, quando i moduli erogano la potenza massima Pmax= 1380 Watt, e una tensione Vmp di 85,2 V, e utilizzando la seguente formula si ricava:
Valore leggermente superiore al massimo consentito del 2%, se volessimo abbassare la percentuale dovremmo aumentare la sezione del cavo L2 e portarlo a 6 mm² e sommando le due cadute (L1+L2) avremo un ∆V di 1,7%.
Ritengo che comunque possa andare bene anche il cavo da 4mm².
CAVO DA REGOLATORE DI CARICA ALLA BATTERIA
In linea generale si potrebbe calcolare la sezione di un cavo, conoscendo la sua lunghezza totale (andata e ritorno), la corrente che lo attraversa, e la caduta di tensione, e la resistività, applicando la seguente regola:
Dove: S è la sezione in mm²; ρ è la resistività del materiale (Ω∙mm2/m); ∆V è la caduta di tensione (V); I è la corrente che lo attraversa (A), L è la lunghezza complessiva del cavo (andata e ritorno) espressa in metri (m).
Oppure verifichiamo la portata del cavo che vogliamo utilizzare che nell’esempio sarà: N1VV-K UE 0,6/1 KV
Cavo per energia, isolato in PVC sotto guaina di PVC, non propagante l’incendio e a ridotta emissione di gas corrosivi, con particolari caratteristiche di reazione al fuoco e rispondente al Regolamento Prodotti da Costruzione (CPR).
La portata dovrà essere almeno di 60 Ampere per cui guardando i dati della tabella la sezione sarà di 16 mm².
Così pure i cavi che dal regolatore si collegano all’inverter avranno una sezione di 16 mm².
MESSA A TERRA
Il campo fotovoltaico sarà gestito come sistema IT, ovvero con nessun polo connesso a terra.
In questi tipi di impianto le parti attive risultano isolate da terra, mentre le masse sono connesse a terra. Per ragioni di sicurezza l’impianto di terra del sistema fotovoltaico risulta essere in comune quello dell’utilizzatore. Tuttavia se si vuole che il dispositivo di controllo dell’isolamento dell’inverter funzioni, per monitorare il generatore FV, occorre collegare a terra le cornici e/o le strutture di supporto dei moduli anche se di classe II.
Le stringhe saranno, costituite dalla serie di singoli moduli fotovoltaici e singolarmente sezionabili, provviste di diodi di blocco e di protezioni contro le sovratensioni.
Ai fini della sicurezza, se la rete di utente o parte di essa è ritenuta non idonea a sopportare la maggiore intensità di corrente disponibile (dovuta al contributo dell’impianto fotovoltaico), la rete stessa o la parte interessata dovrà essere opportunamente protetta.
Cavo di messa a terra N1VV-K UE 0,6/1 KV da 10 mm².
Sezioni commerciali dei cavi:
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PROTEZIONI DA CORTOCIRCUITI, SOVRACCARICHI, E SOVRACORRENTE
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.
In linea generale una sovracorrente è una corrente superiore alla portata del cavo e può avvenire per un sovraccarico in un circuito elettricamente integro, o dovuto a un cortocircuito che può essere provocato da un guasto.
Se la sezione del cavo di stringa dell’impianto è stato scelto per sopportare le condizioni di corrente più critiche: 1,25 Isc, non esiste la possibilità di sovraccarico, per cui si potrebbe non proteggere.
Per quanto riguarda il cortocircuito che può avvenire nel caso di:
- Guasto tra due poli del sistema c.c.
- Guasto a terra nei sistemi con un punto a terra
- Doppio guasto a terra nei sistemi isolati da terra
Nel caso di un cortocircuito su un punto della stringa (M) questo viene alimentato:
- A monte, dalla stringa presa in esame: IM1= 1,25 Isc
- A valle da tutte le altre stringhe connesse in parallelo all’apparato (regolatore o inverter)
Essendo n il numero di stringhe collegate in parallelo all’apparato la corrente di cortocircuito IM1 coincide con la corrente di impiego (IB= 1,25 Isc) per cui il cavo di stringa se è stato dimensionato correttamente non necessita di una protezione.
Se le stringhe fossero solo due (n=2) anche la corrente di cortocircuito IM2 è uguale a 1,25 Isc [(n-m)*1,25 Isc= (2-1)*1,25 Isc= 1,25 * Isc] e non occorre proteggere i cavi di stringa dal cortocircuito.
Se all’apparato (regolatore o inverter) vengono collegate più di due stringhe (n≥3) la corrente di cortocircuito IM2 supera la corrente di impiego (IB= 1,25 Isc) del circuito di stringa, ma se la portata dei cavi di stringa IZ soddisfa la relazione IZ ≥ (n-1) * 1,25 Isc si può evitare di mettere protezioni per cortocircuiti.
Se il cortocircuito avviene tra il quadro di campo e l’apparato nel punto N come da grafico, viene alimentato a monte dalle stringhe m in parallelo che costituiscono il sottocampo interessato dal guasto IN1, a valle dalle altre stringhe (n-m) facenti capo allo stesso apparato (IN2).
La corrente di stringa IN1=m *1,25 Isc coincide con la corrente di impiego del circuito in esame.
La corrente di cortocircuito IN2= (n-m)*1,25 Isc è maggiore della corrente di impiego del circuito se n˃2m, in tal caso si dovrebbe sovradimensionare il cavo facendo in modo che Iz≥ (n-m) * 1,25 Isc, oppure proteggere i cavi con dei fusibili.
Esempio:
supponiamo di avere, come da Fig.1, due sottocampi formati da tre stringhe ciascuno (m=3 e n=2m= 6); per i cavi di stringa si ha:
Per cui non occorre la protezione dal cortocircuito se i cavi di stringa hanno una portata Iz≥6,25 Isc.
Per i cavi che dal sottocampo arrivano all’apparato (Fig.2) si ha:
Per cui non occorre la protezione dal cortocircuito se i cavi tra il quadro di campo e l’apparato hanno una portata Iz≥3,75 Isc.
In genere nei piccoli impianti le condizioni sono soddisfatte avendo i cavi sovradimensionati.
Nel nostro caso essendo due sole stringhe Iz≥1,25 Isc dove 1,25 Isc=1,25*18=22.5 A, che inferiore alla portata del cavo Iz=22,9 A, non servono protezioni per il cortocircuito.
CORRENTE INVERSA
Prima di entrare nel merito va chiarito che i diodi bypass che vengono utilizzati nei moduli fotovoltaici non bloccano la corrente inversa, ma servono a far transitare la corrente in ogni stringa di moduli anche in presenza di una cella o un modulo non colpito dai raggi solari, evitando così la perdita di energia.
In linea generale una corrente inversa creata dagli ombreggiamenti non incide in modo significativo, incide invece quando avviene un’anomalia del generatore solare (per es. cortocircuito di uno o più moduli) e la tensione di circuito aperto (Voc) di una stringa è notevolmente inferiore alla tensione di circuito aperto delle altre stringhe parallele.
In un generatore fotovoltaico con polo a terra è sufficiente un guasto a terra per cortocircuitare una parte della stringa.
Con un sistema fotovoltaico isolato da terra sono necessari due guasti verso terra per cortocircuitare una parte della stringa.
Per cui se una stringa a seguito di uno o più guasti viene cortocircuitata, le altre stringhe in parallelo generano una corrente che attraversa la stringa in senso inverso a quello ordinario.
Tutti i componenti di una stringa (moduli, sezione dei cavi, connettori) devono essere dimensionati come corrente inversa per la corrente di cortocircuito:
Corrente inversa= Isc * (N-1)
Dove: Isc= corrente di cortocircuito; N= numero di stringhe
E questo si verifica sempre nel caso di collegamento di massimo due stringhe, perché la corrente inversa che si presenta in una stringa guasta può raggiungere al massimo il valore della corrente di cortocircuito (Isc) della stringa funzionante ( Isc * (2-1) = Isc).
Con più di due stringhe in parallelo è opportuno sempre l’utilizzo di diodi di blocco:
I diodi di blocco devono avere una tensione nominale ≥ 2 Voc e una corrente nominale ≥1,25 Isc.
I moduli fotovoltaici, in linea generale, sono in grado di sopportare senza danneggiarsi una corrente inversa compresa tra 2,5 Isc, e 3 Isc (la massima corrente inversa di un modulo non è un dato di targa obbligatorio per cui si può chiedere al costruttore).
SOVRACORRENTE
Per ovviare alle correnti inverse si possono utilizzare i diodi di blocco ma non sono idonei per le sovracorrenti che dovranno essere protette dai fusibili.
La IEC (International Electrotechnical Commission) 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.
I fusibili possono essere cilindrici o a coltello, aventi caratteristica di intervento gPV (g = a pieno campo per uso generale; PV= protezione fotovoltaico), tensioni nominali fino a 1500V DC e correnti nominali fino a 500A; inoltre dovrebbero avere la possibilità di essere monitorati a distanza l’avvenuto intervento tramite appositi dispositivi di segnalazione.
In linea generale per selezionare i fusibili, esempio per la protezione delle stringhe, anche se si dovrebbe tener conto di tutti i parametri con uno studio a fondo, si possono utilizzare i seguenti criteri:
I valori ottenuti coprono la maggior parte delle variazioni di corrente e tensione dell’impianto.
Per evitare interventi intempestivi per proteggere il modulo, in assenza delle indicazioni da parte del costruttore, si assume In ≤ 2 Isc.
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 cortocircuito IM2=(n-1) *1,25 Isc (Fig.1).
E a protezione del cavo (portata Iz) che va dalle stringhe all’apparato i fusibili devono avere una corrente nominale In che soddisfi la condizione:
Iz ≤ In ≤ m*1,25 *Isc,
in quanto devono proteggere il cavo dalla corrente di cortocircuito:
IN2= (n-m)*1,25*Isc (Fig.2)
Se ci sono meno di tre stringhe la corrente che possono generare non è in grado di danneggiare i moduli in caso di guasto se il conduttore è dimensionato correttamente.
Nel nostro esempio i cavi hanno una portata maggiore della massima corrente di cortocircuito: (Iz) 22.9 ˃ 18 A (Isc) e i moduli tollerano una corrente inversa di 22,5 A ˃ 18 A, per cui si potrebbe non installare la protezione dalle sovracorrenti dei cavi e dei moduli, e si potrebbe utilizzare solo i diodi di blocco a protezione della corrente inversa delle stringhe e un sezionatore che permette di lavorare in tranquillità a valle dei pannelli in caso di guasto.
Nel nostro caso i diodi di blocco dovranno avere una tensione uguale a: ≥ 2 Voc= 109,8 V * 2=≥ 220 Volt; e una corrente uguale a: 3 Isc= 18*3=54 A.
E installerò diodi di blocco da 55 A e 1600 Volt.
A protezione della batteria dalle sovracorrenti metterò un sezionatore con protezione da 60 A.
Per quanto riguarda la parte in corrente alternata collegherò l’uscita dell’inverter con l’impianto elettrico attraverso dei cavi N1VV-K UE 0,6/1 KV da 4 mm² e a protezione un magnetotermico da 3 A (I=W/V= 600/230=2,6 A).
SOVATENSIONE
Come considerazione generale gli impianti fotovoltaici, essendo tipicamente installati all’esterno di edifici e spesso sulla loro sommità, risultano essere esposti a sovratensioni derivanti da scariche atmosferiche sia di tipo diretto (struttura colpita dal fulmine), che indiretto (fulmine che si abbatte nelle vicinanze).
Normalmente la struttura di sostegno dei moduli fotovoltaici è costituita da carpenteria metallica montata sulla copertura dell’edificio che aderisce alla sagoma dell’edificio stesso (tetti a falda),
oppure con sopraelevazione limitata rispetto alla sagoma (tetti piani con campo fotovoltaico su cavalletti in carpenteria di acciaio zincato con altezza non superiore a 1,5 m).
Per cui il fatto che gli impianti fotovoltaici siano installati all’esterno non fa crescere in maniera significativa l’entità dei rischi a cui è esposto rispetto ad un impianto tradizionale: infatti la probabilità di fulminazione non aumentano se le parti metalliche che costituiscono l’impianto fotovoltaico non incrementano in maniera significativa l’altezza dell’edificio.
Tuttavia, in zone ad alto rischio di fulminazione, si richiede una adeguata valutazione sulla necessità o meno di realizzare un sistema LPS di protezione contro la fulminazione diretta (Lightning Protection System: quando il fulmine colpisce direttamente la struttura) in quanto i costi sono elevati.
Per questi motivi per le sovratensioni indotte di origine atmosferica è il caso di valutare l’opportunità di dotare ciascuna stringa (o eventualmente la sbarra di parallelo) di dispositivi di protezione contro le sovratensioni.
Tali dispositivi chiamati SPD (Surge Protection Device) o anche scaricatori hanno il compito di scaricare a terra la sovratensione in modo che non danneggino le apparecchiature.
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 questo metodo semplificato, valutando la massima tensione a vuoto dell’impianto:
Uc (SPD)= Voc STC (stringa)* K
Dove:
Voc STC (stringa)=Voc STC (modulo) * N
Uc (SPD): massima tensione continuativa degli SPD in CC;
Voc STC(modulo): tensione a circuito aperto del modulo FV;
Voc STC(stringa): tensione a circuito aperto della stringa;
K=1,20: coefficiente di compensazione della tensione;
N: numero dei moduli in serie in ciascuna stringa.
Nel nostro caso la tensione a circuito aperto (VOC) è di 109,8*2= 220 Volt che moltiplicato per K (1,20) risulta che la Uc(SPD) è uguale a: 264 Volt, e installeremo un scaricatore per polo verso terra (+ e -) da 275 Volt.
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
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
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 .
Se l’inverter ibrido prevede la funzione di back-up sulla rete in caso in cui le batterie sono scariche e non ci sia energia dai pannelli dovete verificare che rispettino la normativa CEI 0-21 la quale asserisce che: l’impianto a isola su rete del DSO (Distribution System Operator) non è mai ammessa, salvo casi regolamentati su specifica richiesta del DSO, ovvero quando l’impianto di produzione dell’Utente alimenta l’intera rete o parte dalla rete del DSO. Per quanto riguarda il gruppo elettrogeno non ci sono restrizioni.
Esistono diverse tipologie di inverter ibridi per impianti fotovoltaici ad isola. Vediamone alcuni:
Sono inverter a onda pura completi di Inverter, regolatore 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:
- Potenza totale degli apparati o Carico (PC, router, stampante, ecc.) 375Watt
- Energia (E=P*t) giornaliera 1700Wh
CARATTERISTICHE ELETTRICHE DEL GENERATORE FV
Nel nostro esempio potrei installare i 6 pannelli fotovoltaici in serie.
- Potenza massima : 230 * 6= 1380 Watt
- Tensione Vmp : 30 * 6 = 180 Volt
- Corrente Imp : 7,67 = 7,67 Ampere
- Corrente Isc : 8,27 = 9 Ampere
- Tensione Voc : 36,5 * 6 = 219 Volt
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. Nel nostro caso abbiamo 6 pannelli da 230 Watt ognuno la potenza nominale dell’impianto fotovoltaico sarebbe 1380 Watt, per cui dovremmo scegliere un inverter che supporti una potenza nominale DC proveniente dal fotovoltaico di almeno 2000 Watt.
DATI TECNICI INVERTER IBRIDO
CRITERI GENERALI PER IL GIUSTO ACCOPPIAMENTO TRA I MODULI E L’INVERTER
- La tensione massima (Vmp)dei moduli fotovoltaici, alla minima e massima temperatura, dovrebbe avvicinarsi il più possibile alla tensione di lavoro in corrente continua (Vcc) dell’inverter, oppure all’intervallo di lavoro MPPT ideale per ottenere le migliori prestazioni: che nel nostro esempio è: 90 e 560 V;
- La tensione a circuito aperto Voc dei moduli fotovoltaici alla minima temperatura non deve superare la tensione massima in ingresso tollerata dall’inverter.
- La corrente massima di ingresso (Isc) alla massima temperatura deve essere inferiore alla corrente massima dell’inverter;
- La potenza del campo fotovoltaico deve essere inferiore alla potenza massima di ingresso all’inverter.
LIMITI DI TENSIONE, CORRENTE, E POTENZA
Ipotizzando che la temperatura minima e massima sia -10 e +70 e la temperatura di riferimento standard (STC) sia 25°C, possiamo calcolare la variazione di tensione di un modulo usando il seguente metodo:
(1) Tensione massima del modulo Vmp(T)= Vmp(SCT) + [KVmp * (T.min. – 25°C)]=30 + [-0,124 *(-10 – 25)]= 34,34 V
(2) Tensione minima del modulo Vmp(T)= Vmp(SCT) + [KVmp * (T.max. – 25°C)]= 30 + [-0,124* (70 – 25)]= 24,42 V
(3) Tensione massima del modulo Voc(T)= Voc(SCT) + [KVoc * (T.min. – 25°C)]= 36,5 +[-0,124*(-10-25)]= 40,84 V
(4) Corrente massima del modulo Isc(T)= Isc(SCT) + [KIsc * (T.max. – 25°C)]= 8,27 +[0,0033 *(70 -25)= 8,4 A
Per trasformare la Voc da (%/°C) in (V°/C) usare la formula: V/°C= (%/°C) * (Voc/100)
Dove:
Kvoc: è il coefficiente di temperatura della tensione a circuito aperto (Voc), espresso in V/°C [Kvoc in V/°C=(%/°C)*(Voc/100)=-0,34*(36,5/100)=-0,124]; 25°C: è la temperatura standard di prova del produttore; T.min e T.max: sono le temperature minima e massima ambientali del luogo di installazione dell’impianto; Voc: è la Tensione circuito aperto (tensione massima di un dispositivo); KIsc: Coefficiente di temperatura della corrente di corto circuito (Isc) espresso in A/°C [KIsc in A/°C= (%/°C) * (Isc/100)= 0,04*(8,27/100)= 0,0033]; Kvmp: è il coefficiente di temperatura della tensione alla massima potenza (Vmp) in V/°C.
Ora verifichiamo che ci sia il corretto accoppiamento:
- La massima tensione Vmp del generatore fotovoltaico alla minima temperatura (-10°C) deve essere minore della massima tensione MPPT dell’inverter: 34,34 * 6= 206 V ˂ 560 V
- La minima tensione Vmp del generatore fotovoltaico alla massima temperatura (70°C) deve essere maggiore della minima tensione MPPT dell’inverter: 24,42 *6=146 V ˃ 90 V
- La tensione a vuoto (Voc) del generatore fotovoltaico alla minima temperatura (-10°C) deve essere minore della tensione massima dell’inverter: 40,84 * 6=245,04 ˂ 600 V
- La potenza del campo fotovoltaico deve essere inferiore alla potenza massima di ingresso all’inverter: 1,380 ˂ 3 kW
- La corrente massima (Isc) delle stringhe non deve superare la massima corrente in ingresso all’inverter: 8,4 ˂ 18 A.
TUTTE LE CONDIZIONI SONO STATE RISPETTATE
ACCUMULO
Per questo impianto useremo delle batterie al Litio e utilizziamo la formula seguente:
Dove: QB= capacità batteria in Ah; Et= consumo in Wh; Ng= numero dei giorni di utilizzo; Tensione fotovoltaico; 0,9= profondità di scarica.
Potenza accumulo= VFV * Ah= 24 * 223= 5,3 kWh
Userò una batteria al Litio da 5 kWh
Inverter ibrido con collegato il carico:
PROTEZIONI
(1) Un magnetotermico in corrente continua che 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 13A in quanto la corrente massima proveniente dai moduli è di 8,15 A.
(2) Un magnetotermico in corrente continua tra Inverter e batteria, essendo la corrente massima di 15 A ne metteremo uno da 16 A.
(3) Interruttore magnetotermico consigliato 6A (Il massimo assorbimento degli apparati elettrici a 230 Volt nel nostro esempio è di circa 400Watt (I=P/V=400/230=1,8A portato a 6A).
SEZIONE CAVI
La sezione dei cavi di stringa che collegano i pannelli all’inverter sono da 4 mm²; quelli che collegano l’inverter alla batteria è consigliato due cavi con una sezione di 16 mm²; per il collegamento dall’inverter al carico (utenza) utilizzeremo un cavo multipolare da 6 mm² .
PROTEZIONI DA SOVRATENSIONI
Per le sovratensioni indotte di origine atmosferica è il caso di valutare l’opportunità di dotare ciascuna stringa di dispositivi di protezione contro le sovratensioni.
Tali dispositivi chiamati SPD (Surge Protection Device) o anche scaricatori hanno il compito di scaricare a terra la sovratensione in modo che non danneggino le apparecchiature.
Come visto in precedenza per il calcolo si può utilizzare il seguente metodo:
Uc (SPD)= Voc STC (stringa)* K
Dove:
Voc STC (stringa)=Voc STC (modulo) * N
Uc (SPD): massima tensione continuativa degli SPD in CC;
Voc STC(modulo): tensione a circuito aperto del modulo FV;
Voc STC(stringa): tensione a circuito aperto della stringa;
K=1,20: coefficiente di compensazione della tensione;
N: numero dei moduli in serie in ciascuna stringa.
Nel nostro caso la tensione a circuito aperto (VOC) è di 40,84*6= 245 Volt che moltiplicato per K (1,20) risulta che la Uc(SPD) è uguale a: 294 Volt, e installeremo un scaricatore per polo verso terra (+ e -) da 380 Volt.
L’impianto avrà tutti gli apparati messi a terra utilizzando un cavo FS17 1G 16 mm²
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 antiriflusso, protezioni antiriflesso e antiriflusso, interruttori automatici di sicurezza, protezioni contro i fulmini/sovratensioni (1000 Volt), e messa a terra.
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