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

L’installazione di un Impianto Fotovoltaico non collegato alla rete elettrica fai da te, 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, 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.

REALIZZAZIONE

Per realizzare un impianto Fotovoltaico isolato fai da te (non collegato alla rete) si deve tenere conto dei seguenti parametri:

  • L’energia richiesta giornaliera (Watt/giorno)
  • Calcolo della potenza del fotovoltaico (Wp=Potenza massima)
  • Potenza della capacità della batteria (Ah)
  • Regolatore di Carica per la Tensione (Volt) e Corrente (I) lato corrente continua 
  • Dimensionamento dell’Inverter in funzione alla Tensione lato continua e la Potenza lato alternata
  • Sezione dei cavi elettrici
  • Rapporto tra il Rendimento del Pannello Fotovoltaico e la superficie disponibile.

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 dell’ Impianto 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 :

  • Televisore :        150 Watt    x  6 ore = 900 Watt/ora
  • Computer :         30   Watt    x  8 ore = 240 Watt/ora
  • 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 

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 (Wp)

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.

La Potenza teorica 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

LA POTENZA DEL NOSTRO FOTOVOLTAICO DOVRA’ ESSERE DI 750 Wp, e determina la scelta della Tensione e della Corrente lato continua.

CALCOLO AUTOMATICO DELLA POTENZA EFFETTIVA DEL FOTOVOLTAICO (Wp)

SCELTA DELLA TENSIONE DEL FOTOVOLTAICO

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

  • I pannelli solari a 12 Volt possono arrivare  fino a una Potenza effettiva di :200/300 Wp.
  • Con 24 Volt da: 200/300 Wp fino a 1.000/1200 Wp
  • Con 48 Volt da: 1000/1200 fino a 3000 Wp.

(Esempio.  I moduli disponibili con la tensione a 12 Volt sono a 50, 60, 70, 80, 120 Wp. i moduli disponibili con una tensione24 Volt  sono a 35, 50, 80, 100, 150, 200 Wp)

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

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’ DELLA BATTERIA

In teoria, se ci serve energia solo di giorno  (esempio per azionare la pompa per innaffiare il giardino oppure per il riciclo dell’acqua piovana) la batteria potrebbe essere superflua, ma 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% o all’80% del livello di potenza(Vedi Calcolo matematico)

CALCOLO DELL’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, e per la necessità giornaliera basta moltiplicare il fabbisogno di energia/giorno per il numero dei giorni e si ottiene un valore in Wh

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)

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

C disp.= Capacità disponibile. 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 % della capacità nominale.

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

750 Ah è la capacità che dovrò utilizzare per alimentare il mio impianto di 14.400 Wh. 

CALCOLO AUTOMATICO DELLA CAPACITA’ in A/h 

Capacità delle batterie in commercio: 120 Ah, 12 Volt; 157 Ah, 12 Volt; 200 Ah, 12 Volt; 240 Ah, 6 Volt.

Per il nostro caso useremo 4 batterie da 200 Ah, 12 Volt, in parallelo. 

TEMPO DI CARICA E SCARICA DI UNA BATTERIA

REGOLATORE DI CARICA PER LA TENSIONE E CORRENTE LATO  CORRENTE CONTINUA

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 nel caso che la batteria sia in scarica profonda escludere il carico.

Il dimensionamento va calcolato sia sulla Tensione che sulla Corrente proveniente dal fotovoltaico, che nel nostro caso è 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 che nel nostro caso la Corrente di corto circuito (Icc) è di 5,75 Ampere per modulo. Per cui, nel nostro caso, è 23 A, e per stare tranquilli ne utilizzeremo uno superiore).

SCELTA DEL REGOLATORE

  1. Calcolare la Corrente massima che produce il Fotovoltaico, e quella assorbita dall’utenza.

Es. Per 4 moduli da 200 Wp in parallelo la corrente totale del FV sarà la somma delle 4 correnti in uscita. La corrente massima per pannello è di 5,75 A (da scheda tecnica) che devo moltiplicare per 4. 

It= 4 x Icc modulo= 4 x 5,75= 23 A.

2) La scelta del Regolatore deve essere fatta in base a quelli disponibili sul mercato: A, 10 A, 12 A, 20 A, 30 A, 45 A,ecc. Nel nostro caso utilizzeremo uno da 30 A

DIMENSIONAMENTO DELL’INVERTER

Se l’impianto Fotovoltaico lo voglio usare solo per l’illuminazione posso utilizzare le lampadine a 12 Volt, ma se voglio alimentare altri apparati devo per forza utilizzare un Inverter che trasforma la corrente continua in alternata a 220 Volt, 50 Hz.

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 installeremo un Inverter di 600 W, 24 VoltSe ci fossero delle pompe, o altri apparecchi con spunto di corrente all’accensione occorre raddoppiare la potenza nominale.

L’Inverter potrebbe avere anche la funzione di scambio automatico che consente di utilizzare la rete AC (Alternating Current: corrente alternatao come generatore di corrente come 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 a un apparato con lo Stand-By.

Es. Nel nostro caso abbiamo scelto uno da 600 Watt, ma se si desidera con lo Stand-By è necessario che abbia una potenza circa doppia.

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).

Possiamo dire che in linea generale la corrente non dovrebbe superare i 3 A / mm². Quindi se assorbe 30 A occorre un conduttore di 10 mm² (30/3=10).

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 mette in relazione tre grandezze elettriche: la Tensione (Volt), la Corrente (Ampere), la Resistenza (Ohm).

L’equazione è questa: V=R*I . Per cui se la resistenza al passaggio della corrente è alta, sarà alta la caduta di tensione, che dovrebbe stare in linea teorica entro il 2%, perciò più la resistenza è bassa più la caduta di tensione è bassa.

La resistenza elettrica in un cavo dipende dalla lunghezza L (espressa in metri), dalla sezione S (espressa in mm²) e dalla resistività del conduttore K (l’attitudine di un materiale a opporre resistenza al passaggio delle cariche elettriche. Nel rame è di 0,0175 ohm / metro).

La formula è: R= K*L/S

Esempio: un cavo di rame lungo 6 metri con una sezione di 4 mm² si può dire che la resistenza è di 0,027 Ohm (R=0,0175*6/4= 0,027).

Per calcolare la sezione partiamo dalla corrente che nel caso dei nostri pannelli la ricaviamo con la formula: P= V*I.

I=P/V= 750/24= 31,5 Ampere

La caduta di tensione la stimiamo nel 2% (2 % di 24 V=0,48)

E utilizzando la formula:

V=R*I, sostituisco la R con K*L/S e avremo: V= K*L*I/S  e ricavo la S= K*L*I/V

S= 0,0175*6*65/0,48=14,2 mm²

Esempio: se vogliamo calcolare che sezione dovrebbe avere il cavo che collega la batteria all’Inverter dobbiamo tenere conto della potenza dell’inverter (nel nostro caso: 600 Watt) e la lunghezza dei cavi andata e ritorno (come esempio: circa 6 metri). Per facilitare il compito useremo un programma di calcolo , e il risultato è che i cavi devono avere una sezione di 6,25 mm².

Se invece vogliamo calcolare la sezione dei cavi che partono dalle celle fino al regolatore, usando il programma di calcolo, e inserendo nei dati 800 Watt, 24 Volt e 4 metri, la sezione sarà almeno di 9,89 mm².

Empiricamente, se la corrente non deve superare i A / mm², in questo caso la corrente è di 31,5 A, per cui 31,5 /3= 10,5   mm².

RIASSUNTO CON CALCOLO AUTOMATICO

Per il calcolo della Potenza Totale (Wp) di un Impianto Fotovoltaico fai da te usate il CALCOLATORE AUTOMATICO.

Regolatore di Carica: Il dimensionamento va calcolato sia sulla Tensione che sulla Corrente proveniente dal fotovoltaico, queste vengono desunte dalla scheda tecnica dei pannelli che, se i moduli sono in parallelo,  è la somma delle correnti (Es. Icc= 5,75 Ampere per modulo, se sono 4= 4×5,75=23 A Per sicurezza ne utilizzeremo uno da 30 A).

Inverter: il suo dimensionamento deve essere calcolato sulla potenza massima richiesta ( la somma delle varie potenze in Watt: televisore, frigorifero, ecc.) ed è prudente aumentare la potenza di un 10/15%Se ci fossero delle pompe, o altri apparecchi con spunto di corrente all’accensione occorre raddoppiare la potenza nominale.

Un’altra cosa importante da tenere in considerazione è il rapporto tra il Rendimento del Pannello Fotovoltaico la superficie disponibile.