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

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 in kilowattora (kWh) giornaliera.

Per prima cosa chiarisco cosa si intende per Potenza e cosa si intende per Energia.

Per approfondire:  Differenza tra Potenza e Energia, e Differenza tra kilowatt e kilowattora. 

Un semplice esempio:
Se nella vostra abitazione avete un elettrodomestico che ha una potenza di 3 kW vuol dire che questo assorbe kW nell’unità di tempo. Per cui se lo  utilizzate per 1 h, questo consumerà: 3 kW x 1h = 3kWh.

Per rendere più semplice il calcolo del consumo possiamo sommare le Potenze in Watt indipendentemente dalla Tensione di alimentazione.

Riassumendo: possiamo sommare la Potenza di una lampadina da 50 Watt + una sempre da 50 Watt + una da 100 Watt, e  il risultato sarà una Potenza totale di 200 Watt, indipendentemente che siano alimentate 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.

Se volessimo, per fare un esempio, creare una postazione di lavoro non collegata alla rete elettrica ma alimentata solo con il fotovoltaico per due computer connessi a Internet da usare come smart working dovremmo avere: 2 Computer portatili, 1 Router1 stampante, 1 Switch, 2 lampade a led. Per calcolare l’Energia giornaliera necessaria per alimentare la postazione di lavoro dovremo sommare le varie Potenze in Watt che trovo scritto nell’etichetta sotto l’apparato o sul libretto di istruzione, e poi moltiplicarle per le ore di utilizzo.

Calcoliamo i consumi teorici:

  • 2 Computer :         130   Watt    x  2 x 5 ore                  = 1300 Wattora *
  • 1 Router:                  20 Watt     x 5  ore                              =    100  Wattora 
  • 1 Stampante Laser in standby:  5 Watt x 4 ore    =       20 Wattora
  • 1 Stampante Laser in funzione: 50 Watt x 1 ora =      50  Wattora
  • 1 Switch: 30 Watt x 5 ore                                                   =    150 Wattora
  • 2 Lampade a led: 5 Watt x 2 x 4 ore                           =       40 Wattora
  • TOTALE:            375 Watt                                                          1660 Wattora (1,66 kWh)

* Il Computer Portatile è un modello di dimensioni superiori o dalle prestazioni elevate (normalmente non supera i 50 Watt).

La potenza totale contemporanea per il loro funzionamento è di 375 Watt , e il fabbisogno totale di energia è di 1660 Wattora che approssimiamo a 1700 Wattora (1,7 kWh). (Vedi differenza tra kW e kWh)

CALCOLO DELLA POTENZA DEL 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 ENEAPVGIS per verificare lIrraggiamento in kWh/m² anno e ricavare le ore sole equivalenti giornaliere (hse/g).

IRRAGGIAMENTO

  • L’irraggiamento annuo a Milano è di circa 1405 kWh/m² ( dati ENEA su un piano inclinato di 30°)se lo divido per 365 giorni avrò un Irraggiamento di 3,85 kWh/m² giorno  che corrispondono a 3,85 ore di sole equivalenti giorno (hse/g).
  • L’irraggiamento annuo a Roma è di circa 1653 kWh/m² ( dati ENEA su un piano inclinato di 30°)se lo divido per 365 giorni avrò un Irraggiamento di 4,53 kWh/m² giorno  che corrispondono a 4,53 ore di sole equivalenti giorno (hse/g).
  • L’irraggiamento annuo a Palermo è di circa 1732 kWh/m² ( dati ENEA su un piano inclinato di 30°)se lo divido per 365 giorni avrò un Irraggiamento di 4,75 kWh/m² giorno  che corrispondono a 4,75 ore di sole equivalenti giorno (hse/g).

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 (per calcolare l’inclinazione in funzione della posizione vedere la formula), 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.

Nel nostro caso la postazione dovrà funzionare per tutto l’anno e prenderemo come esempio un impianto installato a Milano:

PL= 1700 (Wh)/ 3,85 (hse/g= ore sole giornaliere)= 442 Wp

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

TOTALE DELLE PERDITE = 36%

L’efficienza totale sarà: 100-36= 64%. Per cui la Potenza Effettiva del Fotovoltaico (PFV) dovrà essere incrementata della perdita, e sarà:

PFV= PL/η sistema (η sistema=64%)= 442/0,64= 700 Wp

La formula generale è:

PFV (Wp)=(Wh/hse/g)/0,64

PFVPotenza effettiva del fotovoltaico in WpWhwattora utilizzatihse/g (irradianza)ore solePerdite di sistema0,64.

Per calcolare l’Energia totale generata dal Fotovoltaico si moltiplica la Potenza in Watt dei pannelli per le ore sole (hse/g).

E totale fotovoltaico= Watt (fotovoltaico) * ore sole= kWh

700 Watt di potenza del fotovoltaico sono stati calcolati su una media ore sole annuale ( 1405 kWh/m²/365= 3,85 kWh/m² giorno  che corrispondono a 3,85 ore di sole equivalenti giorno) e non siamo sicuri che valgano per tutti i mesi, per cui bisogna fare anche un altro ragionamento se vogliamo avere la certezza che il nostro impianto fotovoltaico, non collegato alla rete elettrica, dia l’energia necessaria tutto l’anno.

RIASSUMENDO

Per calcolare la produzione energetica giornaliera in kWh dell’impianto fotovoltaico bisogna moltiplicare la potenza in Watt dei pannelli fotovoltaici per le ore medie sole giornaliere in base alla tabella dell’Irradianza.

Nel nostro caso l’energia del fotovoltaico è 700 Watt * 3,85= 2700Wh giorno (2,7kWh). A questo punto è necessario verificare che i consumi elettrici giornalieri siano, di regola, inferiori alla produzione in kWh dei pannelli fotovoltaici, nel nostro caso i consumi sono 1700Wh ( 1,7 kWh) per cui l’energia fornita dal fotovoltaico è superiore al necessario.

Per avere la sicurezza che l’impianto fotovoltaico sia in grado di erogare l’energia necessaria per tutto l’anno dovremmo fare il calcolo nelle condizioni peggiori che è l’inverno e prendendo esempio dalla tabella dell’irradianza di Milano, nel periodo invernale (Dicembre, Gennaio, Febbraio le ore sole medie sono: (1,20+1,53+2,38)/3=1,7) che sono 1,7 ore giornaliere.

La produzione giornaliera del fotovoltaico nel periodo invernale sarà: 700 Watt*1,7 ore sole= 1190 Wh che non sono sufficienti, per cui, una soluzione, è installare un pannello in più, portando la potenza a 1000 Watt .

Il risultato sarà: 1000 Watt * 1,7= 1700 Whche sono quelli usati dalle utenze (Produzione fotovoltaico 1700 Wh = al consumo elettrico di 1700 Wh).

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, 250 Wp.

Nel nostro esempio, per una Potenza di 1000 Wp possiamo dimensionare la Tensione a 12 o 24 Volt:

Con una tensione a 12 Volt la Corrente circolante sarà 83 Ampere.

Con  una  Tensione di 24 Volt, sarà di 42 Ampere.

I=PFV/V= 750/12= 83 A 

I=PFV/V= 750/24= 42 A

Per il nostro caso potremmo usare 2 Stringhe da 2 moduli ciascuna in parallelo. Ogni modulo avrà una Potenza di 250 Watt e una tensione di 12 Volt in Silicio Monocristallino ad alta efficienza. La Potenza totale sarà uguale a: 1000 Watt e la Tensione di 24 Volt.  

CARATTERISTICHE DEL MODULO FOTOVOLTAICO

Potenza Massima (Pmax)250WpCorrente MPP5,95 ATensione MPP (Vmax): 42 VCorrente di corto circuito (Isc)6,15 ATensione Circuito Aperto (Voc)49,40 VTensione di isolamento: 715 VNOCT (800 W/ m²- 20°C-AM 1,5): 47°CDimensioni (mm) 1580 x 808 x 35Peso 16 Kg; Celle 72  (in silicio monocristallino ad alta efficienza).

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 è maschio per uscita positiva (+e femmina per uscita negativa(-). Per collegamenti di pannelli fotovoltaici in parallelo si usano connettori di parallelo (Y). E per finire i  connettori con diodo di blocco o di stringa.

CONNETTORI MC4

CON FUSIBILE

CON DIODO DI BLOCCO O DI STRISCIA

PANNELLI FOTOVOLTAICI COLLEGATI IN SERIE 

CON DIODO DI BLOCCO

PANNELLI FOTOVOLTAICI COLLEGATI IN PARALLELO CON

DIODO DI BLOCCO

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CAPACITA’ DI ACCUMULO DELLA BATTERIA

Se non vogliamo sprecare la Potenza 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)

Si chiama capacità di una batteria la misura della quantità di energia elettrica che essa riesce ad immagazzinare, e si esprime in Ampere-ora ( abbreviato in Ah).

Per la maggior parte delle batterie a ciclo profondo è buona norma scaricarle al 50% della capacità nominale se si tratta di batterie al piombo, o all’80% se si tratta di batterie al Litio(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 giornaliera in Wattora o kWh per il numero dei giorni per cui si intende mantenere la carica. 

Energia totale x i giorni: 1700 x 4= 6800 Wh (estivo);  1700 x 8= 13.600 Wh (invernale). 

(1700 Wh è il consumo teorico che abbiamo ipotizzato :Lampade, computer, router, ecc.)

Io utilizzerò 6 Giorni, che penso vada bene per entrambe le stagioni.

Utilizzando il calcolatore automatico per la capacità di accumulo inserirò come Wh1700, come tensione del fotovoltaico 24 Volt, e giorni 6.  Il risultato sarà di: 530Ah se la scaricherò all’80%, e 980Ah se la scaricherò al 50%.

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

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 3 batterie ( Litio) da 200 Ah, 24 Volt in parallelo, con la scarica all’80% della sua capacità nominale. 

Oppure potremmo utilizzare 5 batterie da 200 Ah, 24 Volt al Piombo (AGM), in parallelo, con la scarica al 50% della sua capacità nominale. Ed è la soluzione per il nostro progetto.

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REGOLATORE DI CARICA 

La Tensione in uscita dal pannello solare non è regolare e può essere anche elevata. Per questo motivo è necessario un controllore o regolatore di caricache ha come funzione principale quella di regolare la Tensione adeguandola a quella necessaria per caricare la batteria, evitando sovraccarichi. Il regolatore è inserito tra la batteria ed il pannello solare, e interromperà l’invio della corrente elettrica alla batteria una volta che questa è carica, o escluderà il carico (es. delle lampadine) 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 sommanoche 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 (Wp) 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, e con una batteria di 12 Volt, si può, al massimo, collegare una potenza fotovoltaica di 360 Watt (P= V x I= 12 x 30= 360 Watt),  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. La limitazione 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 a 12 Volt).

PWM

Nel nostro caso, avendo due stringhe in parallelo e ogni stringa ha 2 pannelli in serie, sommeremo le CorrentI di corto circuito (Isc) di ogni stringa, indicati nella scheda tecnica, che è di 6,15 Ampere. Per cui la somma è: 6,15 x 2 = 12,3 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.

Il pannello fotovoltaico è l’unico generatore elettrico che quando viene messo in corto circuito non si danneggia, ma eroga il massimo della corrente che le celle possono generare.

Una cosa da tenere ben presente: non mettere mai in cortocircuito batterie o altri generatori elettrici !!!

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 1000 Watt e il pacco batterie è 24 Volt. Usando questa formula troveremo il valore:

Imax= P fotovoltaico (W) / Tensione batteria (V) = 1000/24= 42 Ampere 

Per il nostro impianto sceglierò un Regolatore  MPPT da 60 Ampere

METODO DA USARE QUANDO SI COLLEGA IL REGOLATORE                  ALL’IMPIANTO FOTOVOLTAICO

1° COLLEGARE LA BATTERIA

2° COLLEGARE PANNELLO SOLARE

3° COLLEGARE IL CARICO

Quando si scollega l’impianto fare la procedura inversa 

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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, che sarà collegato al pacco batteria.

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

SCELTA DELL’INVERTER

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 375 Watt senza spunti.

  • 2 Lampade:           10 Watt
  • 2 Computer :    260 Watt
  • 1 Router:                 20 Watt
  • 1 Stampante:       55 Watt
  • 1 Switch:                30 Watt
  • TOTALE            : 375  Watt

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 piccoforma d’onda in uscita sinusoidale pura, Tensione in uscita: 220V, Tensione di ingresso: 12/ 24/ 48 VoltFrequenza di uscita: 50Hz, Tasso di conversione: 93%, con 6 tipi di protezione intelligente contro sovraccarico, alta tensione, bassa tensione, surriscaldamento, inversione di polarità, cortocircuito.

Per cui potremmo installare 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.

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.

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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.

La International Electrotechnical Commission (IEC) riconosce
il fatto che la protezione degli impianti fotovoltaici sia diversa rispetto
a quella delle installazioni elettriche standard. Questo viene evidenziato nel
documento IEC 60269-6, che definisce le caratteristiche specifiche
che deve possedere un fusibile utilizzato per proteggere gli impianti fotovoltaici.

In linea generale per selezionare i fusibili, esempio per la protezione delle stringhe, anche se si dovrebbe tener conto di tutti i parametri con uno studio a fondo, si potrebbero utilizzare i seguenti fattori: 1,56 per la corrente e 1,2 per la tensione. Questi valori coprono la maggior parte delle variazioni dovute all’installazione.

Di norma tutti gli impianti fotovoltaici che hanno tre o più stringhe collegate in parallelo è indicato una protezione per ciascuna stringa. Se ne hanno di meno la corrente che possono generare non è in grado di danneggiare i moduli in caso di guasto, tutto questo vale se il conduttore è dimensionato correttamenteio li metterei ugualmente sia sul filo positivo che su quello negativo . Se le stringhe in parallelo sono da tre in avanti un fusibile in ciascuna stringa proteggerà cavi e moduli da guasti dovuti a sovracorrente. Per la sicurezza, oltre il fusibile è utile anche un sezionatore che permette di lavorare il tranquillità a valle dei pannelli in caso di guasto.

SPECIFICHE DEL FUSIBILE

Se le stringhe in parallelo sono minori o uguale a tre potrebbe bastare che il cavo sia dimensionato in modo adeguato, e deve essere almeno uguale a: 1,56 x Isc (Corrente di corto circuito), ma come detto in precedenza io per sicurezza metterei un fusibile in ogni stringa, che deve avere i seguenti parametri in base:

  • alla corrente nominale: 1,56 x Isc
  • alla tensione nominale: 1,20 x Voc x Ns (Ns=numero di moduli in serie per stringa).

Se le stringhe sono maggiori di tre il fusibile a ogni stringa deve avere i seguenti parametri in base:

  • alla corrente nominale: 1,56 x Isc
  • alla tensione nominale: 1,20 x Voc x Ns (Ns=numero di moduli in serie per stringa).

Nel nostro caso la Isc6,15 AVoc= 49,40 Volt. Per cui il fusibile dovrà avere le seguenti caratteristiche:

i fusibili possono essere inseriti   nei connettori MP4,

o in porta fusibili.

Il Sezionatore serve per “sezionare” una parte dell’impianto elettrico che vogliamo isolare senza il rischio di una rimessa in tensione accidentale, e consentire la manutenzione senza rischi per l’installatore, sia come ulteriore protezione degli apparati da sovratensioni o corto circuiti, nel nostro caso è da 50 A.

PROTEZIONI  GENERATORE FOTOVOLTAICO 

Se le stringhe in parallelo sono minori o uguale a tre potrebbe bastare che il cavo sia dimensionato in modo adeguato, ma come detto in precedenza io per sicurezza metterei un fusibile in ogni stringa sia sul filo positivo che sul negativo, che in questo caso sono di 10 A ognuno.

  • 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 in Watt delle utenze collegate che, comunque, non dovrà superare la portata massima del regolatore usando la formula: I=P/V=A.

SCARICATORI DI SOVRATENSIONI PER GENERATORI FOTOVOLTAICI DI MEDIE DIMENSIONI 

I pannelli solari degli impianti fotovoltaici occupano uno spazio che è proporzionale alla potenza che si vuole ottenere, e quando l’area occupata diventa significativa i sistemi sono più soggetti agli effetti delle fulminazioni, soprattutto a quelle indirette. Per evitare danni sarebbe bene installare scaricatori di sovratensione per ogni polarità verso terra nel posto più vicino alle stringhe. La scelta della tensione degli scaricatori SPD (Surge Protection Device) lato corrente continua negli impianti isolati da terra si può calcolare utilizzando la formula seguente:

VC (SPD)= VOC STC x K

Nel nostro caso la tensione a circuito aperto (VOC) è di 49,40 Volt che moltiplicato per K (1,20) risulta che la VC (SPD) è uguale a: 60 Volt, e potremmo usare gli scaricatori OVR PV.

SCATOLA DI GIUNZIONE FOTOVOLTAICA

Un sistema più professionale per collegare i pannelli solari al regolatore di tensione è la SCATOLA DI GIUNZIONE FOTOVOLTAICA.

Apparato che semplifica di molto il cablaggio di ingresso all’armadio e del regolatore di tensione.

Inoltre contiene la protezione con un fusibile da 10 Ampere per ogni stringa, protezione da sovratensione, sovracorrente, diodi antiriflussoprotezioni  antiriflesso e antiriflussointerruttori automatici di sicurezza, protezioni contro i fulmini/sovratensioni (1000 Volt), e messa a terra.

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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 Iun cavo elettrico produce una caduta di tensione che è direttamente proporzionale alla resistenza RPer cui maggiore è la resistenza del cavomaggiore 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*metroL è la lunghezza del cavo, espressa in metri (m); e S è la sezione in mm².    

Mentre la caduta di tensione si calcola con la formula seguente:

cV= (K * I * Lc)/S

Dove: cV = caduta di tensioneK è la resistività specifica del cavo, che nel Rame è pari a: 0,0175 Ohm*metroI è la corrente che lo attraversa, Lc è la lunghezza complessiva del cavo (andata e ritorno) 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,  e un cavo lungo 1 metro con una sezione di 1 mm². Per prima cosa calcoliamo la corrente circolate con la formula:

I= W/ V= 1000/24= 41,6 Ampere

poi calcoliamo la Tensione:

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

S = K * I * Lc /cV

Dove: K è la resistività e nel rame è uguale a 0,0175 Ohm*metro, S è la sezione del cavo in mm²I è la corrente che lo attraversa (in Ampere), Lc la lunghezza complessiva (andata e ritorno) del cavo in metri, e cV la caduta di tensione desiderata.

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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 solaritensione al punto massimo (Vmp)corrente al punto massimo (Imp)lunghezza del cavo partendo dai pannelli al regolatore andata e ritorno(m) ;caduta di tensione (cV)tensione del sistema(V).

Nel nostro caso: i pannelli sono 4; la corrente 5,95 A; la tensione 42 V; lunghezza 10 m ; caduta di tensione 0,48 V( 2% di 24 V), tensione del sistema 24 VoltIl risultato è: 8,9 mm². Useremo cavi da 10 mm² tipo FG21.

Arriviamo allo stesso risultato con la formula: S = K * I * Lc / cV= 0,0175*12,3*20/0,48=8,96 mm² 

dove K= resistività:0,0175; I = corrente massima (Isc) circolante, nel nostro caso 6,15 x 2=12,3 A essendo i pannelli in parallelo; L= lunghezza cavo (10×2=20 m)cV=caduta di tensione(stimata a 0,48 V= 2% di 24 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 * Lc/ cV= 0,0175*12,3*10/0,48= 4,48 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*Lc)/(S*V alla massima potenza²))*100 

ΔV= caduta di tensione; Pmax= potenza massima del fotovoltaico; K (ρ)= resistività; Lc= lunghezza del cavo; S= sezione del cavo; V = tensione alla massima potenza.

ΔV%=((1000*0,0175*20)/(10*42²))*100=1,98% (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 9,27 mm² che porterò a 16mm² tipo FG21.

Il risultato è più o meno lo stesso se usiamo la formula: S = K * I * Lc / cV= 0,0175*42(I=W/V=1000/24=42)*6/0,48=9,18 mm²

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 1 kWp usando la formula.

Con pannelli in Monocristallino occorrono circa 6,25 m²con pannelli in Policristallino 6,25 m²25 m² con pannelli in Silicio amorfo con un rendimento al 4%, 11 m² con pannelli in Silicio amorfo con microgranuli rendimento 9%, 8,3 m² con pannelli in Silicio amorfo con leghe CIGS rendimento 12%. 

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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.

  • 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.

 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.