COME REALIZZARE UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO DOMESTICO (CALCOLO TEORICO)

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

CARATTERISTICHE DI UNA CELLA SOLARE O FOTOVOLTAICA

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

PANNELLO SOLARE

Ogni pannello solare è formato da tante celle solari  (o celle fotovoltaiche). 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.), formando così delle stringhe.

I moduli più comuni sono costituiti 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.

 

Il materiale delle celle solari possono essere in Silicio Amorfo, Policristallino e Monocristallino.  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,

o in rotoli flessibili.

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

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

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

 

I Pannelli Solari possono essere collegati in serie, in parallelo, o serie/parallelo.

Se sono collegati in Serie le Tensioni (Volt) si sommano, per cui la Tensione totale Vu= V1+V2+V3, ecc. mentre la Corrente si manterrà costante.

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

Se sono collegati in Serie/Parallelo: nei pannelli in serie si sommerà la Tensione (12 V+ 12V= 24 V)  e rimarrà costante in quanto i tre rami sono collegati in parallelo; la Corrente sarà data dalla somma degli Ampere transitanti nei tre rami (3,5A + 3,5A + 3,5A = 10,5 A).

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

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

Le celle solari in un Pannello Fotovoltaico sono collegate in serie per cui le tensioni si sommano, e se ognuna genera 0,5 Volt,  ne servono 24 (12/0,5= 24).

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.

 

 

NUOVI TIPI DI PANNELLI SOLARI

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 giornaliera. Per fare ciò dobbiamo sapere come passare dalla potenza all’energia Per semplificare possiamo considerare l’energia come la capacità della potenza.

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

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

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

ESEMPIO DI DIMENSIONAMENTO 

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.

DIMENSIONAMENTO

Ad esempio se si vuole  alimentare un Televisore, un Computer portatile, uno Stereo, un Decoder, una Playstation, e ricaricare uno Smartphone: cerco il consumo in Watt che trovo scritto nell’etichetta sotto l’apparato o sul libretto di istruzione, e li sommo.

Calcoliamo i consumi teorici:

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

* 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 Watt/ora che approssimiamo a 2400 Watt/Ora (2.4 Kwh). (Vedi differenza tra Kilowatt e Kilowattora)

CALCOLO DELLA POTENZA DEL GENERATORE 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 PVGIS per verificare le ore sole equivalenti giornaliere (hse/g). Per esempio in Lombardia, con una superficie inclinata di 30° e 5 Kwh al m² di irraggiamento giorno, corrispondono a una media di 5 ore di sole equivalente.

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, 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)/ 5 (hse/g= ore sole giornaliere)= 480 Wp

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

  • Perdite a causa dello scostamento della temperatura= 8%
  • Perdite per la non uniformità elettrica tra le stringhe= 5%
  • Perdite per riflessione= 3%
  • Perdita in corrente continua= 2%
  • Perdita dovuta alla carica e scarica delle batterie=8%
  • Perdita dell’Inverter= 8%
  • Perdita per la sporcizia accumulata sui moduli=2%

TOTALE DELLE PERDITE = 36%

L’efficienza totale sarà: 100-36= 64%. Per cui la Potenza Effettiva sarà:

PFV= PL/η sistema (η sistema=64%)= 480/0,64=750 Wp

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.

Per una Potenza di 750 Wp possiamo dimensionare la Tensione a 12 o 24 Volt:

Con una tensione a 12 Volt la Corrente circolante sarà 62,5 Ampere.

Con  una  Tensione di 24 Volt, sarà di 31,5 Ampere.

I=PFV/V= 750/12= 62,5 A 

I=PFV/V= 750/24=31,5 A

Per il nostro caso potremmo usare 4 moduli in parallelo da 24 Volt e 200 Wp ciascuno= 800 Wp Totali.  

CARATTERISTICHE DEL MODULO FOTOVOLTAICO

Potenza Massima (Pmax): 200Wp; Corrente MPP: 5,30 A; Tensione MPP (Vmax) 37,80 V; Corrente di corto circuito (Isc) 5,75 A; Tensione Circuito Aperto (Voc) 43,20 V; Tensione di isolamento 1000 V; NOCT 800 W/ m²- 20°C-AM 1,5): 45°C; Dimensioni (mm) 1581 x 809 x 35; Peso 17 Kg; Celle 72 celle 2 bus-bar in silicio monocristallino da 125×125 mm.

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 possono essere maschio/femmina o a Y.

PANNELLI FOTOVOLTAICI COLLEGATI IN SERIE E PARALLELO

 

CAPACITA’ DI ACCUMULO DELLA BATTERIA

 

Se non vogliamo sprecare l’energia che produce l’impianto fotovoltaico e averla a disposizione  anche quando non arriva dal pannello solare: la batteria è indispensabile, ed è l’elemento più critico del sistema in quanto è l’unica parte che ha bisogno di manutenzione. La durata è di circa 7/8 anni e dipende dal numero di cicli di carica/scarica e la ridotta auto scarica.

A mio parere le batterie che si usano per gli impianti fotovoltaici (stazionarie) 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)

La capacità della batteria  Q (o anche C) è espressa in Ah (Ampere/ora), e per la maggior parte delle batterie a ciclo profondo è buona norma scaricarla al 50% se si tratta di batterie al piombo, o all’80% se si tratta di batterie al Litio, del livello di potenza(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/giorno (Wh) 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). 

Io utilizzerò 6 Giorni, che penso vada bene per entrambe le stagioni: 2400 x 6= 14.400 Wh (Energia Totale).

Ora calcolo la capacità di accumulo in Ampere/ora (Ah) che è il valore effettivo da tenere conto per garantire l’autonomia scelta:

C disp. (Ah)= E disp.(Wh)/ Tensione del Fotovoltaico (Volt)  

C disp.= Capacità disponibile di accumulo; E disp.= Energia disponibile.

Nel nostro caso: C disp.= 14.400/24= 600 Ah

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

Per cui si ottiene, se la scarichiamo all’80% (Batterie al Litio)C finale=  C disp./0,8= 600/0,8= 750 Ah

750 Ah è la capacità che dovrò utilizzare per alimentare, per un massimo di 6 giorni, il mio impianto di 14.400 Wh quando non arriva energia dal fotovoltaico. 

E si ottiene, se la scarichiamo al 50% (Batterie al Piombo)C finale=  C disp./0,5= 600/0,5= 1200 Ah

CALCOLO AUTOMATICO DELLA CAPACITA’ in A/h 

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 6 batterie da 200 Ah, 24 Volt al Piombo, in parallelo, con la scarica al 50% della sua capacità nominale. Ed è la soluzione per il nostro progetto.

 

REGOLATORE DI CARICA 

Il pannello fotovoltaico (pannello solare) quando viene colpito dai raggi solari produce continuamente energia elettrica a bassa tensione 12V o multipli ( 24V, ecc.,) che viene accumulata nella batteria. Ed è per questo motivo che necessita di un controllore o regolatore di carica, inserito tra la batteria ed il pannello, in quanto occorre interrompere la carica della batteria una volta che questa si è caricata, o escludere il carico 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 sommano) che 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 (Watt) 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 si può, al massimo, collegare una potenza fotovoltaica di 360 Watt con una batteria di 12 Volt, 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 e quella 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 12 Volt.

PWM

Nel nostro caso la somma delle correnti dei moduli in parallelo ed è pari a  I= Watt/Volt= 800/24= 33 A . Questo valore è teorico, in realtà il valore esatto si ricava dalla scheda tecnica sotto la voce:  Corrente di corto circuito (Isc) che è di 5,75 Ampere per modulo. Per cui la somma è: 5,74 x 4 = 23 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.

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 800 Watt e il pacco batterie è 24 Volt. Usando questa formula troveremo il valore:

Imax= P fotovoltaico (W) / Tensione batteria (V) = 800/24= 33 Ampere 

Per il nostro impianto sceglierò un Regolatore  MPPT da 60 Ampere. 

 

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.

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

L’Inventer utilizzato negli impianti isolati hanno la funzione di convertire la corrente continua in alternata e il suo dimensionamento deve essere calcolato sulla base delle Potenze massime richieste. Nel nostro caso la potenza massima totale contemporanea ( quando tutti gli apparati sono collegati) sarà di 471 Watt.

  • Televisore :        150 Watt
  • Computer :         30   Watt
  • Smartphone:      26 Watt
  • Stereo:                   60 Watt
  • Decoder:               20 Watt
  • Playstation 3: 185 Watt
  • TOTALE            : 471  Watt

Per cui potremmo installere 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.

SCELTA DELL’INVERTER

  1. 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.
  2. La scelta avviene in base agli apparati disponibili sul mercato che possono essere a onda quadra o sinusoidale. Se si sceglie la sinusoidale potete optare per un apparato con lo Stand-By.

Nel nostro caso abbiamo abbondato e utilizzeremo uno da 1000 Watt di picco, forma d’onda in uscita sinusoidale pura, Tensione in uscita: 220V, Tensione di ingresso: 12/ 24/ 48 Volt, Frequenza di uscita: 50Hz, Tasso di conversione: 93%, con 6 tipi di protezione intelligente contro sovraccarico, alta tensione, bassa tensione, surriscaldamento, inversione di polarità, cortocircuito.

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.

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.

I dispositivi, in linea di massima, sono i seguenti:

  • Un fusibile e sezionatore installato sul collegamento tra il Fotovoltaico e il Regolatore di Carica. Questo dispositivo serve sia per sezionare l’impianto quando si lavora a valle del fotovoltaico, che come protezione degli apparati da sovratensioni o corto circuiti.

  • 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 (Watt) delle utenze collegate che, comunque, non dovrà superare la portata massima del regolatore.

  • Un fusibile (3) o un interruttore magnetotermico (specifico per la corrente continua) sul collegamento che parte dalla batteria, o batterie, e l’ingresso dell’Inverter. La portata (A) dovrà essere calcolata in base alla potenza in Watt dell’Inverter e alla Tensione di alimentazione (Volt), secondo la legge di OHM : P=V x I = Watt, da cui si ricava la corrente circolante I=P/V= Ampere (esempio: se utilizziamo un Inverter con una Potenza di 1000 Watt alimentato a 24 Volt, avremo che la corrente circolante I=P/V=1000/24= 41 Ampere).

  • 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 43,20 Volt che moltiplicato per K (1,20) risulta che la VC (SPD) è uguale a: 52 Volt, e potremmo usare gli scaricatori OVR PV.

 

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 I, un cavo elettrico produce una caduta di tensione che è direttamente proporzionale alla resistenza RPer cui maggiore è la resistenza del cavo, maggiore sarà la caduta di tensione, provocata da una determinata corrente che vi scorre.

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

R=K*L/S

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

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 avremo una perdita di circa 34 Watt, usando la formula:

W= V x I dove I= W/ V= 1000/24= 41,6 Ampere

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, la corrente che lo attraversa, e fissando la caduta di tensione desiderata, si applica la formula seguente:

S = K * I * L / V

Dove: K è la resistività e nel rame è uguale a 0,0175 Ohm*metro, S è la sezione del cavo in mm², I è la corrente che lo attraversa (in Ampere), L la lunghezza del cavo in metri, e V la caduta di tensione desiderata.

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 solari; tensione al punto massimo; corrente al punto massimo; lunghezza del cavo partendo dai pannelli al regolatore (m) ;caduta di tensione (V); tensione del sistema(V).

Nel nostro caso: i pannelli sono 4; la corrente 5,30 A; la tensione 37,80 V; lunghezza 10 m; caduta di tensione 0,48 V( 2% DI 24 V), tensione del sistema 24 Volt. Il risultato è: 8 mm². Useremo cavi da 10 mm² tipo FG21.

Lo stesso risultato che si ottiene con la formula: S = K * I * L / V= 0,0175*21,2*10/0,48=7,8 mm²

dove K= resistività:0,0175; I = corrente massima circolante, nel nostro caso 5,30×4 =21,2 essendo i pannelli in parallelo; L= lunghezza cavo (10 m); V=caduta di tensione(0,48 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 * L / V= 0,0175*21,2*5/0,48=3,8 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*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.

ΔV%=(800*0,0175*10/10*(43,2)²)*100=0,75% (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 10,42 mm² che porterò a 16mm² tipo FG21.

Il risultato è più o meno lo stesso se usiamo la formula: S = K * I * L / V= 0,0175*42(I=W/V=1000/24=42)*6/0,48=9,18

 

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 m², con pannelli in Policristallino 5,4 m², e 8,7 m² con pannelli in silicio amorfo.

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.

  • Quando le batterie sono cariche il sistema provvede all’immissione in rete.

  • Viceversa, quando gli apparecchi casalinghi richiedono elettricità verrà data la priorità alla produzione fotovoltaica.

  • E quando i pannelli non producono verranno utilizzate le batterie.

  • Quando gli accumulatori sono scarichi il sistema preleva, se è collegato, dalla rete elettrica esterna.

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 e 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 funzione al fabbisogno energetico, e alla produzione di energia del fotovoltaico. In parole povere, quando l’esigenza che prevale è l’autoconsumo, e lo scambio delle eccedenze di energia con la rete.
  • In base alla disponibilità di spazio che consente ai pannelli fotovoltaici il massimo irraggiamento.

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:

  • tensione alla massima potenza: 31,32 (Vmp) x 9 (moduli)=282 Volt
  • corrente alla massima potenza: (Imp)8,94 A
  • corrente di corto circuito massima : Isc = Isc + [KIsc * (T.min. – 25°C)]=9,7+ [-0,031* -35]= 10,8 A

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

  • Tensione a vuoto massima:                                     52 (Volt)x9 (Pannelli)= 462 Volt
  • Tensione alla massima potenza minima=24,03 (Volt) x 9 (Pannelli)=216 Volt
  • Tensione alla massima potenza massima=   37 (Volt) x 9 (Pannelli)= 333 Volt

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

Prima di parlarvi diffusamente del collegamento dell’impianto solare alla linea elettrica con accumulo devo precisare che le tipologie di impianto ammesse dal CEI (Comitato Elettronico Italiano) ha stabilito le tre modalità di installazione dei sistemi di accumulo:

1.    Sistema di accumulo lato produzione monodirezionale (le batterie si caricano solo con il fotovoltaico)

2.    Sistema di accumulo lato produzione bi-direzionale (le batterie si caricano anche con la rete)

3.    Sistema di accumulo post produzione bi-direzionale (le batterie si caricano anche con la rete)

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.

SISTEMA DI ACCUMULO LATO PRODUZIONE MONODIREZIONALE

SISTEMA DI ACCUMULO LATO PRODUZIONE BIDIREZIONALE

Nei sistemi di accumulo bidirezionali il contatore di energia prodotta dovrà essere bidirezionale e non monodirezionale come avviene di solito.

I sistemi di accumulo post-produzione sono quelli in cui il pacco batterie e il sistema di controllo viene installato dopo il contatore di produzione (lato corrente alternata).

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 quelli in isola ( off grid), 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.).

  • La produzione eccedente di energia viene usata per la carica delle batterie.

  • Quando le batterie sono cariche, se c’è ancora energia eccedente, l’Inverter la immette in rete.

  • 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.

  • Quando le batterie sono scariche e se l’utenza necessita di energia supplementare la preleva dalla rete.

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:

  • Batterie al piombo acido (gel)
  • Batterie agli ioni di Litio
  • Batterie al piombo acido (chiuso)
  • Batterie al Nichel
  • Batterie al piombo acido (sigillato AGM)
  • Batterie ai Sali di sodio

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.

IMPIANTO ON GRID LATO PRODUZIONE  

Se prendiamo come esempio dell’Impianto Fotovoltaico collegato alla rete elettrica senza accumulo visto in precedenza.

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), se la verifica del contributo al cortocircuito, che 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.

in costruzione