COME REALIZZARE UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO DOMESTICO (CALCOLO TEORICO) COLLEGATO ALLA RETE ELETTRICA

COLLEGAMENTO DELL’IMPIANTO SOLARE ALLA LINEA ELETTRICA

L’installazione di un Impianto Fotovoltaico collegato alla rete elettrica deve essere eseguito da un professionista del settoreInvece,  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:

  1. 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.
  2. Le detrazioni fiscali.

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 annuiin 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 formulaVoc (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 MPPT70-450 VDC; tensione massima lato CC: 500 VDC; massima corrente in ingresso: 12 ADC; potenza nominale in uscita lato CA3080 Watt; tensione minima lato CA: 240 VACfrequenza 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’Inverternel 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’Inverternel 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’Inverternel 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 alternataIz= 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

Di sistemi con accumulo, in linea generale, si possono trovare in commercio  tre tipi: on grid, che sono sempre connessi alla rete (lato produzione)on grid, post produzionee quelli in isola, off gridnon 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.

in costruzione