COME REALIZZARE UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO PER ABITAZIONI,BAITE, CASE ISOLATE…, NON COLLEGATE ALLA RETE ELETTRICA

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Se possediamo una baita, una casetta in campagna. o una abitazione, e decidiamo di essere indipendenti dal gestore elettrico per l’impossibilità di avere il servizio, per motivi ecologici, o altro: l’impianto fotovoltaico a isola completo (off grid stand alone) è l’ideale.

AUTORIZZAZIONI

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.

PROGETTARE PICCOLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI

PER PROGETTARE L’ IMPIANTO FOTOVOLTAICO SI DEVE TENERE CONTO DEI SEGUENTI PARAMETRI:

Progettazione e installazione impianti fotovoltaici a isola o collegati alla rete elettrica

ENERGIA RICHIESTA GIORNALIERA

Quando si vuole realizzare un impianto fotovoltaico a isola il primo parametro da tenere presente 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.

  • La Potenza  è quel valore in Watt data dalla formula: P=V x I.
  • L’Energia elettrica è la Potenza per il tempo, data dalla formula E= P x t (kWh). Il kWh è l’unità di misura del consumo di energia elettrica, che è la grandezza che di solito troviamo nella bolletta elettrica.
  • Anche se meno usata possiamo utilizzare anche il Wattora (Wh) definita come l’energia complessiva fornita dalla potenza di un watt (W) mantenuta per un’ora(h).

Per cui devo sapere il consumo in Watt di ogni apparato che voglio alimentare con il fotovoltaico (la potenza la trovo, di solito, sull’etichetta posta sotto l’apparato, o nel libretto delle istruzioni), e moltiplicare il valore di ognuno per il tempo per il quale intendo utilizzarlo, facendo poi la somma.

Esempio: una lampadina da 70 Watt tenuta accesa per 2 ore consumerà 140 Wattora (Wh), un personal computer portatile che consuma 30 Watt, se lo tengo acceso per 6 ore avrò utilizzato 180 Wattora.

In totale il fabbisogno giornaliero sarà dato dalla somma di 140 Wh della lampadina, più i 180 Wh del computer, per un totale di 320 Wh.

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.

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

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 alimentare una casetta, una baita, ecc., non collegata alla rete elettrica ma utilizzando solo il fotovoltaico per prima cosa dovremo calcolare la potenza e l’energia degli apparati che intendiamo collegare, a esempio:

La potenza totale contemporanea per il loro funzionamento è di 6680 Watt , e il fabbisogno totale di energia è di 11740 Wattora che approssimiamo a 12000 Wattora (12 kWh). 

CALCOLO DELLA POTENZA DEL FOTOVOLTAICO 

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 medio di 3,85 kWh/m² giorno  che corrispondono a 3,85 hse/g (ore di sole equivalenti giorno).
  • 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 medio di 4,53 kWh/m² giorno  che corrispondono a 4,53 hse/g (ore di sole equivalenti giorno).
  • 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 medio di 4,75 kWh/m² giorno  che corrispondono a 4,75 hse/g (ore di sole equivalenti giorno).

Concludendo: le ore sole medie giornaliere (hse/g) al nord saranno 3,85; al centro 4,53; al sud 4,75.

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.

La regola è la seguente:

PL(Wp)= Wh/ ore sole

dove: PL=Potenza teoricaWh=Energia totale  degli apparati; ore sole= (hse/g).

Nel nostro caso l’impianto sarà installato al nord e la regola per il calcolo è la seguente:

 

nel nostro caso: PL= 12000/3,85=3117 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 la regola sarà:

PFV(Wp)= PL/η sistema (0,64)

dove: PFVpotenza del fotovoltaico, unità di misura WpPL=potenza lordaη sistemaefficienza effettiva (64%)

nel nostro caso sarà: PFV= 3117/0,64= 4870 Wp

Per il calcolo totale della potenza potete utilizzare questa semplice regola:

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

Oppure:

PFVPotenza effettiva del fotovoltaico in WpWhwattora utilizzatihse/g= ore sole equivalenti giorno0,64 =efficienza effettiva (64%) data dalle perdite di sistema.

Nel nostro caso: PFV =(Wh/ore sole)/0,64 = (12000/3,85)/0,64= 4870 Wp

Ritengo che 5000 Watt (5 kW) di potenza siano sufficienti e lo terremo come riferimento,

Per avere la certezza che il nostro impianto fotovoltaico, non collegato alla rete elettrica, fornisce l’energia necessaria per alimentare gli apparati bisogna moltiplicare la Potenza in Watt dei pannelli per le ore sole (hse/g).

 Energia totale fotovoltaico E= P (potenza fotovoltaico) * ore sole= Wh

Per cui la produzione energetica giornaliera dell’impianto nel nostro caso è: l’Energia del fotovoltaico=  5000 Watt * 3,85= 19250Wh giorno (19 kWh). A questo punto si verifica che i consumi elettrici giornalieri siano, di regola, inferiori alla produzione in Wh dei pannelli fotovoltaici, nel nostro caso i consumi sono 6700 Wh (6,7 kWh) per cui l’energia fornita dal fotovoltaico è superiore al necessario.

L’irraggiamento di 3,85 ore sole è una media annuale, ma  se vogliamo essere pignoli al massimo e avere la certezza che il nostro impianto fotovoltaico, non collegato alla rete elettrica, sia in grado di fornire l’energia necessaria anche nelle condizioni peggiori, che è l’inverno, prendiamo a esempio la tabella dell’irradianza di Milano nel periodo di Dicembre, Gennaio, Febbraio, dove le ore di sole medie giornaliere sono: 1,20-1,53-2,38 per cui la media nei tre mesi sarà 1,7 ((1,20+1,53+2,38)/3=1,7)). 

La produzione giornaliera del fotovoltaico nel periodo invernale sarà: 5000 Watt*1,7 ore sole= 8500 Wh che non sono sufficienti, per cui, una soluzione, è incrementare la potenza a 7000 Watt  (7 kW).

Il risultato sarà: 7000 Watt * 1,7= 11900 Whche sono quelli usati dalle utenze (Produzione fotovoltaico 11900 Wh = superiore al consumo elettrico che è di 11800 Wh).

Riassumendo: se l’impianto fotovoltaico è utilizzato solo in primavera/estate/autunno è sufficiente una potenza di 5 kW, se deve essere usato per tutto l’anno è necessario una potenza di 7 kW.  

Per gli esempi successivi, sia per il calcolo degli Ah delle batterie, della potenza dell’inverter, e del regolatore di carica, si baseranno sulla potenza di 5 kW che ritengo comunque in grado di soddisfare i bisogni per tutto l’anno.

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.

Nel nostro caso utilizzeremo 15 pannelli solari monocristallini a 48 Volt da 330 Wp ognuno, collegando, a esempio, tre stringhe  in parallelo da cinque moduli fotovoltaici (pannelli solari) ognuno: la Potenza totale sarà di 5 kW.

PARAMETRI DEL PANNELLO

Potenza nominale=330 Wp; Tensione alla massima potenza (Vmp)= 33,8 Volt; Corrente alla massima potenza (Imp)=  9,77 Ampere; Tensione a circuito aperto (Voc)= 41,3 Volt; Corrente di cortocircuito (Isc)=10,61 Ampere.

Se si mettono in parallelo più stringhe (Generatore Solare o anche Campo Fotovoltaico) di moduli fotovoltaici  la corrente totale di ogni stringa è quella del modulo che ne produce di meno (es. se un modulo genera 11 A e uno 10 A: la corrente che circola nella striga sarà 10 A). La corrente totale è data dalla somma della corrente in uscita da ogni stringa (10 x 3= 30 A).

Nel nostro caso ogni modulo fotovoltaico genera una Imp (corrente alla massima potenza) di  9,77 Ampere, per cui la corrente totale sarà: I1+I2+I3= 9,77+9,77+9,77=29,31 A.

La tensione totale di ogni stringa è data dalla somma della tensione di ogni modulo, e la  tensione totale del campo fotovoltaico è quella equivalente alla tensione generata da una singola stringa.

Nel nostro caso ogni modulo fotovoltaico genera una Vmp (tensione alla massima potenza) di  33,8 Volt. Per cui la tensione totale di ogni singola stringa  sarà data dalla tensione del singolo modulo per il numero dei moduli: 33,8 Vmp*5= 169 Volt. Che è la tensione totale del generatore solare.

La potenza totale del generatore solare sarà dato dalla tensione totale (Vt) per la corrente totale (It). Nel nostro caso: Wp=Vt*It= 169 * 29,31= 4600 Watt.

INVERTER IBRIDO

L’inverter ibrido  include sia la funzione dell’inverter che del regolatore di carica.

L’inverter ibrido  che sarà utilizzato per un impianto a isola avrà al suo interno anche un regolatore di carica che fornirà energia alle batterie. Per il nostro caso utilizzerò un inverter ibrido da 5kW, 48 Volt, con funzione di carica batteria da 60 Ampere, e regolatore di carica MPPT da 80 Ampere. E questo sarà lo schema di massima.

SCHEDA TECNICA DELL’INVERTER IBRIDO

Per evitare che vengano danneggiati gli apparati a valle del generatore solare bisogna verificare che la massima tensione a circuito aperto (Voc) non sia superiore a quella della scheda tecnica dell’inverter ibrido. Nel nostro caso il pannello fotovoltaico genera una Voc di 41,3 Vdc, che moltiplicata per i pannelli della stringa, che sono cinque,  avremo una Voc di 206,5 Vdc (41,3 *5= 206,5 Vdc), inferiore a quella indicata nella scheda di 500 Voc del regolatore di carica.

Un’altra cosa da controllare è la corrente di boost che è la potenza totale che verrà erogata alla batteria dopo aver regolato la tensione.

Riassumendo la corrente di boost è fondamentale per dimensionare il controllo di carica MPPT e in generale basta dividere la potenza del fotovoltaico in Watt per la tensione del pacco batteria, e il risultato moltiplicarlo per 1,25.

I(A)=(P/V)* 1,25

Dove: Icorrente massima in ingresso al controllo di caricaPpotenza totale del fotovoltaico; Vtensione pacco batteria1,25 = 25% di incremento.

Nel nostro caso:  I(A)=(P/V)* 1,25= (4600/48)*1,25= 120A