CARATTERISTICHE,GRANDEZZE ELETTRICHE, RENDIMENTO, E PRODUZIONE DI UN PANNELLO FOTOVOLTAICO

       

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PROGETTARE PICCOLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI (VERSIONE AGGIORNATA)

 

CARATTERISTICHE DI UNA CELLA FOTOVOLTAICA

In generale le caratteristiche di una cella fotovoltaica è in funzione di tre variabili:

IRRADIANZA

L’incidenza dellirradianza sulla tensione e corrente, come si vede dal grafico (la figura rappresenta una cella fotovoltaica alla temperatura costante di 25º. 1000 Watt/m² è l’irraggiamento diretto con cielo sereno, 200 Watt/m² con cielo nuvoloso) non incide molto sul valore della tensione a vuoto, mentre varia in modo proporzionale la corrente di corto circuito, al variare dell’intensità dell’irraggiamento.

Da questo ne consegue che si può misurare l’Irradianza in funzione della Corrente di Cortocircuito (Isc) di una cella campione alla temperatura di 25º.

Irr Misu.= Irr0 x( Isc Mis/Isc0) 

L’Irraggiamento Misurato (Irr Misu.) è uguale all’Irraggiamento noto(Irr0) per il rapporto tra la Corrente di Corto Circuito (Isc Misu.) e la Corrente di Corto Circuito noto (Isc0).

Esempio: una cella di silicio monocristallino con un’area pari 100 cm² eroga, all’irraggiamento di 1000Watt/m², una Corrente di Corto Circuito (Isc) di 3 Ampere, sarà, con un Irraggiamento di 800 Watt/m², di 2,4 Ampere. (I dati fanno riferimento al libro “progettazione di impianti solari fotovoltaici di Jose Perfetto” Grafil).

Irradianza: il valore medio globale orizzontale che si riscontra al suolo in Italia Centrale è pari a 180 W/m², nella Pianura Padana 160 W/m², al Sud 200 W/m².

TEMPERATURA

La Temperatura non ha un effetto significativo sul valore della corrente di corto circuito (Isc), per contro esiste una proporzionalità tra questa e la tensione a vuoto della cella (Fig.sotto). Dal grafico si deduce che la tensione diminuisce al crescere della temperatura. 

Ipotizzando che le temperatura minime e massime siano -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 moduloVmp + [KVoc * (T.min. – 25°C)]

(2) Tensione minima del modulo Vmp + [KVoc * (T.max. – 25°C)]

(3) Tensione massima del moduloVoc + [KVoc * (T.min. – 25°C)]

(4) Corrente massima del modulo = Isc + [KIsc * (T.min. – 25°C)]

Dove: (1) = Tensione massima del modulo alla minima temperatura; (2) = Tensione minima del modulo alla massima temperatura; (3)= Tensione massima del modulo a circuito aperto alla minima temperatura; (4)= Corrente massima del modulo in corto circuito alla temperatura minima;  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; 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).

Per trasformare la Voc da (%/°C) in (V°/C) usare la formula:

 V/°C= (%/°C) * (Voc/100)

AREA DELLA CELLA

L’Area della cella non incide sul valore della tensioneinvece esiste un proporzionalità tra questa e la corrente disponibileper cui aumentando l’area della cella aumenta la corrente e quindi la potenza.

Riassumendo: la Temperatura influenza la Tensione, mentre l’Irraggiamento determina la Tensione dell’impianto fotovoltaico.

GRANDEZZE FISICHE

Le grandezze fisiche sono:

La Potenza massima del dispositivo è determinata dal prodotto tensione e corrente (P=V*I).

VITO SPERONI CONSULENTE SULLE TELECOMUNICAZIONI E FOTOVOLTAICO

 

GRANDEZZE E DEFINIZIONE DI UNA CELLA FOTOVOLTAICA

Pmp (Wp) = POTENZA NOMINALE DEL PANNELLO :  massima potenza ottenibile.

Isc (A)CORRENTE DI CORTO CIRCUITO: è la corrente massima prodotta da un dispositivo in determinate condizioni di luce e temperatura.

Voc (V)TENSIONE A CIRCUITO APERTO: è la tensione massima di un dispositivo in determinate condizioni di luce e temperatura, corrispondente alla massima tensione potenziale.

Imp (A)CORRENTE ALLA MASSIMA POTENZA: è la corrente  massima di un dispositivo in determinate condizioni di luce e temperatura, che è quella nominale di un dispositivo.

Vmp (V) TENSIONE ALLA MASSIMA POTENZA: è la tensione che si traduce in potenza massima in determinate condizioni di luce e temperatura, che è quella nominale di un dispositivo.

In condizioni di corto circuito la corrente generata è massima (Isc) mentre con il circuito aperto è la tensione che è massima (Voc). Per cui nelle condizioni di circuito aperto o di corto la potenza è nulla, in quanto P=Vx I sarà nulla la corrente nel primo caso e la tensione nel secondo.

Riassumendo, noti i valori di tensione e corrente di esercizio è possibile conoscere la potenza erogata dal generatore mediante l’equazione P=V(Volt) * I (Ampere)= Watt

POTENZA NOMINALE, o MASSIMA, o di PICCO, o di TARGA DI UN PANNELLO FOTOVOLTAICO

La Potenza Nominale, o Massima, o di Picco, o di Targa (Wp) dell’impianto fotovoltaico è la potenza elettrica dell’impianto, determinata dalla somma delle singole potenze nominali, o massime, o di picco, o di targa, di ciascun modulo fotovoltaico facente parte del medesimo impianto, misurate alle Condizioni Standard (temperatura pari a 25 °C e radiazione pari a 1.000 W/m², e con Air Mas AM1).

AM – Air Mass (Massa d’aria): è la radiazione solare, che per giungere al suolo terrestre deve attraversare una massa d’aria atmosferica che è minima quando il sole è allo Zenit e che aumenta via via che il sole si
abbassa sull’orizzonte.

AM0 (Air Mass 0) è la densità di radiazione solare oltre l’atmosfera (1,353kW/m²).

AM1 è la densità di radiazione solare sul suolo terrestre a mezzogiorno, in una giornata perfettamente serena (1kW/m2).
Con AM1,5 si indica la densità di radiazione nei test STC (Standard Test Condition).

Al fine di avere dei riferimenti identici per tutti i produttori, viene calcolata la potenza dei pannelli fotovoltaici alle condizioni STC (Standard Test Condition), ovvero un irraggiamento di 1000W/m², temperatura di 25°C, AM1= 1,5.

La Potenza Nominale o Massima, o di Picco, o di Targa  è il punto di massima potenza e che indicheremo con Pmax= Imp x Vmp (Wp)

Dove: ImpCorrente che risulta alla massima potenza; Vmp= la Tensione alla massima Potenza.

La Potenza Nominale o Massima, o di Picco, o di Targa è in Watt di picco (Wp) è calcolabile anche: Pmax=Voc x Isc x FF

La Potenza Nominale o Massima, o di Picco (misurata in Wp), alle condizioni SCT è difficile da raggiungere in condizioni di reale funzionamento ed è misurato in laboratorio.

 FATTORE DI RIEMPIMENTO

Il Fattore di Riempimento (FF) definito come il rapporto tra la massima potenza estraibile dalla cella e il prodotto tra Voc e Isc

FF=Pmax/Pt = Imp*Vmp/Isc*Voc

EFFICIENZA 

L’Efficienza della cella Fotovoltaica (L’Efficienza è il Rendimento di un pannello fotovoltaico per metro²), definisce, in percentuale, la capacità di trasformazione dell’energia solare incidente in energia elettrica. Al fine di avere dei riferimenti identici per tutti i produttori, viene calcolata la potenza dei pannelli fotovoltaici alle condizioni STC (Standard Test Condition), ovvero un irraggiamento di 1000W/m², temperatura di 25°C, AM1= 1,5.

Il calcolo dell’Efficienza di un pannello fotovoltaico è abbastanza semplice conoscendo la potenza di picco e le dimensioni (l’ingombro massimo del modulo).

Per il calcolo semplificato si può utilizzare la seguente formula:

Per potenza si intende la potenza di picco Wp espressa in Watt, la superficie è la superficie del pannello in  compresa la cornice (base*altezza), 1000 è l’irraggiamento di 1000W/m², 100 serve per ottenere L’efficienza in percentuale.

Le dimensioni e la potenza di picco sono rilevabili sulle schede tecniche dei pannelli o sulle etichette degli stessi.

Facciamo un esempio: utilizzando i dati di un pannello fotovoltaico monocristallino : P=220 Wp, superficie= 1,005*1,665= 1,7m²;  il risultato è il seguente:

 

Occorre precisare che stiamo parlando solo del rendimento di picco alle condizioni STC (Standard Test Condition) e di come calcolarlo, non stiamo parlando della produttività degli impianti fotovoltaici che dipende da calcoli più complessi.

Possiamo anche dire che se non ci sono problemi di spazio il rendimento del pannello è un dato importante, mentre se ne dovrà tenere conto in modo molto più importante quando si dovranno realizzare impianti con la massima potenza possibile nella superficie a disposizione. In quest’ultimo caso la potenza di picco per unità di superficie non può essere trascurata.

Tecnicamente l’efficienza di conversione di potenza di una cella solare è data dal rapporto tra la potenza elettrica massima della cella e la potenza fornita dalla luce solare incidente.  Il valore standard preso come riferimento per indicare l’irraggiamento solare è di 1000 Watt/m².

η=((Im*Vm)/Pin)*100

Dove: ImCorrente massimaVm= Tensione massima;  Pin= Potenza in ingresso. 

L’efficienza di conversione η si può esprimere anche in funzione del fill factor FF:

η=(Voc * Isc * FF/ Pin)*100

Dove: η(%)=efficienza della cella fotovoltaica in condizioni STC che variano a secondo le differenti tipologie; FF= fattore di riempimento; Voc= Tensione a circuito aperto; Isc=Corrente di corto circuito; Pin= Potenza in ingresso. 

 

RENDIMENTO IN FUNZIONE DEI DATI METEOROLOGICI

I costruttori dei pannelli fotovoltaici forniscono le caratteristiche riferite alla tensione e corrente nelle condizioni STC, dette anche condizioni standard, mentre la potenza è chiamata “Potenza Nominale o di Picco”.

Supponendo che un pannello solare abbia la:

Per calcolare la Potenza del pannello fotovoltaico si può usare la seguente formula: P=Vm x Im= 36,78 x 8,70= 320 Watt; che è esattamente quella fornita dal costruttore.

Ora calcoliamo la Potenza con le condizioni climatiche non standard, a esempio con un irraggiamento di 800 W/m² e a una temperatura di 65°C, per il calcolo dovremo tenere conto che le correnti sono proporzionali all’irraggiamento, mentre le tensioni si riducono di circa il 4% per ogni aumento di 10 °C di temperatura. Essendo 40 °C la differenza, la riduzione della tensione è del 16%.

Per cui, essendo le correnti proporzionali all’irraggiamento, avremo:

Icc=9,15 x 800/1000= 7,32 A

Imp= 8,70 x 800/1000= 6,96 A

Per le tensioni invece dovremo tenere conto dello scostamento della temperatura:

Vmp= (1- 0,16) x 36,78=30,89 V

Voc= (1-0,16) x 8,70= 7,3 V

La potenza del nostro pannello solare nelle nuove condizioni climatiche sarà: PVm x Im= 30,89 x 6,96=215 Watt.

Riassumendo: se aumenta la temperatura diminuisce la Potenza.

PRODUZIONE DI UN PANNELLO FOTOVOLTAICO

I fattori che condizionano l’efficienza della produzione di un impianto fotovoltaico sono fondamentalmente due:

  1. Fattori esterni (l’ambiente esterno e la posizione)
  2. Fattori interni (prodotti e componenti dell’impianto)

FATTORI ESTERNI

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°.

La formula per l’inclinazione che non tiene conto delle variazioni che si dovrebbero apportare nei mesi dell’anno, ma è una media, attendibile, tra la produzione invernale ed estiva è questa:

Inclinazione ottimale=3,7+(0,69 x Latitudine) 

Es. Milano ha una latitudine di 41,89ºInclinazione=3,7+(0,69 x 41,89)= 32,6º

Es. Palermo: latitudine 38ºInclinazione=3,7+(0,69 x 38)= 30º

  • L’orientamento,Azimuth, migliore è a Sud, ma potrebbe anche andar bene sud-est o sud-ovest. Con questi orientamenti la perdita di rendimento non supera il 5% rispetto all’orientamento ottimale. Un pannello totalmente rivolto a est o ad ovest, invece potrebbe perdere, a parità di inclinazione, circa il 18% del rendimento. Un pannello rivolto a nord, potrebbe perdere quasi il 50% della produzione energetica.

  • Se pensate che più alta è la temperatura maggiore è la produzione di energia: è errato. I pannelli solari rendono meglio con una temperatura intorno ai 25°C, più è alta più diminuiscono le prestazioni.

Ipotizziamo che le temperatura minime e massime siano -10 e +70 e la temperatura di riferimento standard (STC) 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 metodo:

Vmp (Tensione massima del modulo)= VMP + [KVoc * (T.min. – 25°C)]

Vmp (Tensione minima del modulo)= VMP + [KVoc * (T.max. – 25°C)]

Voc (Tensione massima del modulo)= Voc + [KVoc * (T.min. – 25°C)]

Corrente di corto circuito massima : Isc = Isc + [KIsc * (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; 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.

Per trasformare da (%/°C) in (V°/C) usare la formula:

Voc (V/°C)= (%/°C) * Voc/100= V/°C;

  • Pulizia e Ombreggiamento. Polvere e sporcizia possono coprire le celle e impedire l’assorbimento dei raggi solari; come la presenza di ombre come alberi, comignoli, ecc., che ne riducono la produttività.

FATTORI INTERNI

I fattori interni non sono altro che i prodotti installati che compongono l’impianto fotovoltaico, e se non vengono gestiti correttamente generano le così dette perdite di sistema dovute all’inverter, cavi, regolatore di carica, ecc.

In pratica i fattori interni si possono esplicitare nella qualità dei componenti, che è fondamentale. E negli anni di vita, che con il passare del tempo gli apparati subiscono un calo nelle prestazioni, per questo è bene scegliere un pannello fotovoltaico certificato fino ad almeno 25 anni di funzionamento.

STRUMENTO PER IL CALCOLO DELLA PRODUZIONE DELL’IMPIANTO FOTOVOLTAICO

Per il calcolo della produzione dell’impianto fotovoltaico si potrebbe usare un simulatore on line PVGIS (Photovoltaic Geographical Information System).

Con questo calcolatore possiamo ricavare la produzione fotovoltaica mensile  in Kwh in relazione all’ Irraggiamento mensile del luogo scelto per tutti i mesi dell’anno, e all’Irradianza giornaliera del luogo scelto.

 

“Come aiutare l’ambiente” di Vito Speroni

Un libro adatto a chi frequenta la scuola elementare o media