Come realizzare un IMPIANTO FOTOVOLTAICO non connesso alla rete elettrica con INVERTER IBRIDO

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MANUALI TECNICI

PROGETTARE UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO IN ISOLA CON INVERTER IBRIDO

L’energia solare rappresenta una delle fonti rinnovabili più promettenti e accessibili per la produzione di energia elettrica. Tradizionalmente, gli impianti fotovoltaici sono collegati alla rete elettrica nazionale, consentendo di immettere l’energia prodotta in eccesso e di usufruire di incentivi e tariffe dedicate. Tuttavia, in alcune situazioni specifiche, può essere desiderabile o necessario realizzare un impianto fotovoltaico isolato, cioè non connesso alla rete elettrica. In questo contesto, l’utilizzo di un inverter ibrido rappresenta una soluzione innovativa e versatile.

Un impianto fotovoltaico off-grid (o in ISOLA) è un sistema che produce energia elettrica per un uso autonomo, senza collegamento alla rete pubblica. Tali impianti sono ideali in zone remote, aree isolate, strutture temporanee o situazioni in cui la connessione alla rete non è economicamente o logisticamente fattibile.

Componenti principali di un impianto fotovoltaico non connesso alla rete:

  • Modulo fotovoltaico: converte la luce solare in energia elettrica continua (DC).
  • Sistema di accumulo: batterie (generalmente agli ioni di litio o piombo-acido) che immagazzinano l’energia prodotta per un utilizzo successivo.
  • Inverter ibrido: è un dispositivo che combina le funzionalità di un inverter tradizionale con capacità di gestione delle fonti di energia e di accumulo.
  • Sistema di distribuzione: cablaggi, quadri di distribuzione e protezioni.

L’inverter ibrido può:

  • Convertire energia fotovoltaica da DC a AC.
  • Gestire l’alimentazione delle batterie.
  • Selezionare la fonte di energia più conveniente (pannelli, batterie, eventuale rete).
  • Fornire energia a carichi anche in assenza di luce solare, utilizzando le batterie.
  • Integrare sistemi di backup e sistemi di gestione intelligente dell’energia.

In un impianto non connesso alla rete, l’inverter ibrido assume un ruolo centrale, poiché permette di controllare e ottimizzare la produzione e il consumo di energia in modo autonomo.

Vantaggi di un impianto fotovoltaico con inverter ibrido:

  • Autonomia energetica: permette di operare senza dipendere dalla rete elettrica.
  • Gestione efficiente delle risorse: ottimizza l’uso dell’energia solare e delle batterie.
  • Flessibilità: può essere facilmente ampliato o modificato.
  • Sistema di backup: garantisce continuità di alimentazione anche in caso di blackout.
  • Riduzione dei costi di energia: diminuisce la dipendenza da fornitori esterni.

Dimensionamento dell’impianto

  • Potenza dei pannelli fotovoltaici: calcolata sulla base del fabbisogno energetico e delle condizioni climatiche locali.
  • Capacità delle batterie: determinata dalla quantità di energia da immagazzinare e dal tempo di autonomia desiderato.
  • Selezione dell’inverter Ibrido: deve supportare la potenza totale dell’impianto e le funzioni di gestione dell’accumulo.

Tipologia di batterie

Regolamento e normative

  • È importante rispettare le normative locali relative agli impianti off-grid, alle batterie e alle installazioni elettriche.
  • Considerare eventuali incentivi o agevolazioni per sistemi di energia rinnovabile autonomi.

Vantaggi dell’utilizzo di un inverter ibrido in impianti off-grid

  • Gestione intelligente dell’energia: l’inverter può bilanciare produzione, consumo e accumulo.
  • Flessibilità operativa: possibilità di integrare fonti di energia aggiuntive, come generatori di backup.
  • Ottimizzazione delle prestazioni: riduzione delle perdite e miglioramento dell’efficienza complessiva.
  • Facilità di installazione e manutenzione: molti inverter moderni sono dotati di sistemi di monitoraggio integrati.

Casi d’uso tipici

  • Zone rurali o isolate: abitazioni, strutture agricole, impianti di irrigazione.
  • Installazioni temporanee: campeggi, eventi all’aperto, cantieri mobili.
  • Applicazioni emergenziali: sistemi di backup per ospedali, telecomunicazioni o data center in zone senza rete affidabile.

Considerazioni economiche e di sostenibilità

  • Costi iniziali: maggiore rispetto a sistemi connessi alla rete a causa delle batterie e dell’inverter più complesso.
  • Risparmio a lungo termine: minori costi energetici e indipendenza dai fornitori.
  • Impatto ambientale: riduzione delle emissioni di CO₂, promozione di un modello energetico sostenibile.

NOTA:

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.

PROGETTAZIONE

ANALISI DEI CONSUMI

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 calcolare l’Energia consumata giornalmente devo sapere il consumo in Watt di ogni apparato che voglio alimentare con il fotovoltaico (la potenza  in Watt la trovo 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 dei 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 200Watt, indipendentemente che siano alimentate a 220 V o a 12 V.

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

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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.

ESEMPI DI POTENZA ASSORBITA 

Se volessimo, per fare un esempio, creare una postazione di lavoro per due persone connesse a Internet da usare come smart working, non collegata alla rete elettrica ma alimentata solo con il fotovoltaico, dovremmo avere: 2 Computer portatili, 1 Router, 1 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.

Nel nostro esempio ho calcolato l’energia giornaliera utilizzata da un posto di lavoro che sarà di 1,7 kWh:

VALUTAZIONE DELLA DISPONIBILITA’ SOLARE

La valutazione della disponibilità solare la ottengo attraverso l’irraggiamento (l’energia per unità di area) misurato in kWh/m² è derivata dalla radianza che è data dalla radiazione del sole che arriva sulla terra in modo diretto e diffuso; e se la superficie è inclinata, alla radiazione globale si deve sommare la radiazione riflessa. Per cui la radiazione globale sarà data dalla somma della radiazione diretta, diffusa, e riflessa.

Per trovare l’irraggiamento del posto dove dovrò installare il fotovoltaico avrò bisogno dei seguenti dati:

  • latitudine
  • longitudine
  • azimut o orientamento
  • inclinazione o tilt della falda
  • riflessione (coefficienti di Albedo)
  • ombreggiamenti

Latitudine e longitudine le trovo collegandomi a esempio con Google Heart dove inserisco la via e la città (vedi foto).

 

 Azimut o orientamento: indica la direzione orizzontale da Est a Ovest del generatore fotovoltaico.

Per calcolarlo lo posso fare empiricamente. Ammettiamo che la falda del tetto dove vorrei installare i pannelli fotovoltaici fosse posizionato rispetto al sud come si vede nella foto.

Con un programmino che trovo in Internet (https://www.geogebra.org/classic?lang=it) calcolo l’angolo rispetto al sud

Che in questo caso è – 67,4° in quanto per convenzione i gradi verso est hanno il segno meno.

Inclinazione o tilt della falda: è l’angolo di inclinazione del tetto dove è posato l’impianto fotovoltaico, e lo trovo con lo stesso programmino di prima, e in questo esempio è circa 26°.

Se i moduli sono disposti su più file su una terrazza o a terra dovranno mantenere una distanza tale da evitare ombreggiamenti, ed è un buon compromesso quando non ci sono ombreggiamenti nelle ore centrali del solstizio invernale.

Sintetizzando se consideriamo l’altezza utile (h) la proiezione sul piano verticale, e β l’angolo limite al di sotto del quale i moduli delle file posteriori subiscono l’ombreggiamento della fila anteriore, la distanza tra le file deve essere almeno tre volte l’altezza utile.

La radiazione riflessa dipende dalla natura del terreno e tale capacità viene quantificata tramite i coefficienti di Albedo che è il rapporto tra la radiazione riflessa da una superficie e la radiazione incidente sulla superficie stessa.

I coefficienti di Albedo possono assumere valori compresi tra 0 e 1.

Alcuni coefficienti di Albedo:

Nel nostro esempio scelgo l’asfalto invecchiato e avrò un coefficiente di Albedo di : 0,10

Ombreggiamenti: l’ombreggiamento dei moduli riduce l’irraggiamento su di una parte del campo FV e diminuisce la produzione di energia. Può essere provocato dalle ombre prodotte dagli edifici, alberi, tralicci, camini, antenne, ecc.; in questo esempio non ci sono ostacoli.

Ora ammettiamo che la nostra postazione di lavoro si trovi in una abitazione e i dati che dovrò inserire nel sito di ENEA (www.enea.it) sono i seguenti:

  • Azimut: -67,4°
  • Tilt: 26°
  • Orientamento: latitudine 45° 41’ 15” / longitudine 8° 58’ 50”
  • Riflessione (coefficienti di Albedo): 0,10
  • Nessun ombreggiamento

I risultati della radiazione globale solare saranno i seguenti:

 

 Perdite di sistema (vedi scheda):

Per calcolare le perdite di sistema da inserire nell’espressione del calcolo della potenza del fotovoltaico uso:

1- Ps/100= 1- 36/100=0,64

Per il calcolo della radiazione solare si potrebbe usare un metodo più semplificato che necessita di una precisazione: se in un anno la radiazione solare potrebbe essere stimata in 1380 kWh/m² come nell’esempio (energia per unità di superficie), si può considerare che ciò derivi da un irraggiamento standard corrispondente alla potenza di un impianto di 1 kW/m² per un totale di 1380 ore (ore equivalenti).

Per un impianto solare, se si conosce la radiazione media annua per unità di superficie di un determinato sito (nel nostro caso, 1380 kWh/m²), è possibile calcolare il numero di ore N nel seguente modo: N = (1380 kWh/m²) / (1 kWh/m²) = 1380 ore equivalenti.

Questa introduzione è stata fornita per facilitare il calcolo, assumendo che le ore di sole medie giornaliere siano di 3,85 al nord Italia, 4,53 al centro e 4,75 al sud.

DIMENSIONAMENTO DEI PANNELLI FOTOVOLTAICI

DALLA CELLA FOTOVOLTAICA AL PANNELLO FOTOVOLTAICO

La cella fotovoltaica è il componente base di un impianto fotovoltaico. Ogni cella può produrre una potenza da 3 a 6 Watt, poco per la maggior parte degli utilizzi, per cui le celle vengono collegate in serie e saldate tra di loro tramite i contatti Anteriori di colore Blu: polo Negativo, e Posteriori :polo Positivo (negativo-positivo-negativo-positivo-ecc.),

e formano un Modulo Fotovoltaico. I Moduli più comuni sono costituiti da 36 celle che consente di ottenere una potenza in uscita pari a circa 50 Watt, ma  possono anche essere formate da 48, 60, 72 celle che sono assemblate in modo di avere un valore di Tensione e Corrente utile a generare una Potenza che può arrivare anche oltre i 350 Watt per modulo.

Più Moduli solari o fotovoltaici collegati tra di loro formano un PANNELLO FOTOVOLTAICO.

Più Pannelli fotovoltaici collegati in serie, a seconda del bisogno di Tensione necessaria all’alimentazione degli apparati elettrici, formano una STRINGA.

Più Stringhe in parallelo costituiscono il GENERATORE FOTOVOLTAICO.

RIASSUNTO

  • La cella fotovoltaica è il componente elettrico elementare che trasforma la radiazione solare in energia elettrica.
  • Il modulo è costituito da più celle fotovoltaiche connesse elettricamente tra loro.
  • Il pannello è formato da più moduli collegati e posizionati sulla medesima struttura di supporto.
  • La stringa è data dalla connessione in serie di più pannelli.
  • Il generatore fotovoltaico è costituito da più stringhe connesse in parallelo.

MATERIALE DELLE CELLE FOTOVOLTAICHE

Il materiale delle celle fotovoltaiche possono essere in:

  • Monocristallino. La cella solare  è di colore blu scuro e ha i bordi smussati, ed è costituita da cristalli di silicio monocristallino tutti orientati nella stessa direzione. Per questo motivo la produzione di energia è maggiore quando i raggi del sole sono perpendicolari, avendo bisogno di una superficie inferiore per produrre la stessa quantità di energia degli altri sistemi, anche se sono più costosi.
  • Policristallino.  Le celle, di un colore blu vivo, sono costituite da silicio policristallino orientate in modo casuale, questo fa sì che la resa sia meno efficacie rispetto al mono, ma sfruttano meglio i raggi solari nell’arco della giornata. I pannelli di silicio Policristallino sono meno costosi di quelli mono.
  • Silicio Amorfo. Il modulo in Silicio Amorfo non è paragonabile, in senso estetico, a quelli in Policristallino o Monocristallino in quanto il silicio viene depositato in modo uniforme e in pochissima quantità (lo spessore è di qualche millesimo di millimetro) su una superficie di plastica o su vetrate, anche se, a parità di potenza nominale, si deve usare più moduli, che sono disponibili anche nella tradizionale struttura rigida, o  in rotoli flessibili. Questa tecnologia è consigliata dove si predilige l’estetica alla produzione di energia, che è più bassa rispetto al Policristallino o Monocristallino, compensata però dal costo: dal 30% al 40% in meno, e sono poco sensibili alle ombre.

  • In silicio amorfo con leghe di CIGS o CUdTe sono formate da un materiale semiconduttore composito a banda proibita diretta, chiamato appunto CIGS (Copper Indium Gallium (di) Selenide; ossia :(di) seleniuro di rame indio gallio). Poiché il materiale ha un elevato potere di assorbimento della luce solare, è sufficiente una pellicola (film) molto più sottile rispetto ad altri materiali semiconduttori. L’assorbitore del CIGS è depositato su un supporto di vetro, insieme a degli elettrodi per raccogliere la corrente.

  Prossimamente anche in Grafene.

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          CARATTERISTICHE DI UNA CELLA FOTOVOLTAICA

In generale le caratteristiche sono in funzione di queste variabili:

Le grandezze fisiche sono:

I pannelli fotovoltaici possono essere collegati in serie, in parallelo, e in serie-parallelo.

Se fossero collegati in serie (stringa) le tensioni (Volt) dei pannelli si sommano, mentre la corrente (Ampere) totale rimane costante.

Esempio: se avessimo tre pannelli con una tensione di 12 Volt e una corrente di 3,5 Ampere collegati in serie la tensione totale Vu sarà 12 x 3 uguale a 36 Volt, mente la corrente totale rimane costante a 3,5 Ampere.

Se i pannelli fossero collegati in parallelo sarebbe la corrente a sommarsi, mentre la tensione rimane costante.

Esempio: se avessimo tre pannelli con una tensione di 12 Volt e una corrente di 3,5 Ampere collegati in parallelo la corrente totale Iu sarà 3,5 x 3 uguale a 10,5 Ampere, mentre la tensione totale rimane costante a 12 Volt.

Negli impianti fotovoltaici è possibile l’installazione di pannelli solari collegati in serie/parallelo in modo da incrementare sia la tensione che la corrente.

Nella pratica si utilizza uno o più pannelli connessi in serie (stringhe) per accrescere la tensione in uscita, e più stringhe collegate in parallelo per aumentare la corrente totale. 

Se volessimo collegare 6 pannelli solari in parallelo con una tensione di 12 Volt e 6 Ampere ognuno, avremmo la stessa tensione ma una corrente di 36 Ampere: abbastanza alta.

Si potrebbe risolvere in questo modo: fare tre stringhe di due pannelli in serie e collegarle in parallelo. Così facendo la corrente si abbassa a 18 Ampere totali (data dalla somma della corrente dei tre rami 6 x 3=18 A) mentre la tensione  totale sarà di 24 Volt (data dalla somma 12+12 =24 V).

 

PROTEZIONE DEI PANNELLI FOTOVOLTAICI

DIODO BYPASS E DIODI DI BLOCCO

Il pannello fotovoltaico è formato da tante celle solari messe in serie e i diodi bypass sono usati sia all’interno delle singole celle solari che tra i vari pannelli, e servono a far transitare la corrente in ogni stringa di celle solari anche in presenza di una cella o a un modulo non colpito dai raggi solari, evitando così la perdita di energia e impedire che la corrente inversa danneggi la cella stessa.

Con due sole stringhe la corrente inversa che si presenta in una stringa guasta può raggiungere al massimo il valore della corrente di cortocircuito della stringa funzionante ( Isc * (2-1) = Isc) per cui non sono necessari i diodi di blocco ( Isc * (2-1) = Isc).

Con più di due stringhe in parallelo è opportuno sempre l’utilizzo di diodi di blocco.

 INVERTER IBRIDO PER IMPIANTI FOTOVOLTAICI IN ISOLA

Un inverter ibrido è un dispositivo elettronico che combina le funzioni di un inverter tradizionale (che trasforma la corrente continua, DC, generata dai pannelli fotovoltaici, in corrente alternata, AC, utilizzabile negli impianti domestici o industriali) con capacità di gestione dell’energia proveniente da altre fonti, come batterie di accumulo e generatori di backup.

In un sistema in isola, l’inverter ibrido svolge un ruolo ancora più cruciale, poiché garantisce l’autonomia energetica senza connessione alla rete pubblica, gestendo l’energia prodotta, immagazzinata e consumata.

Funzioni principali di un inverter ibrido in impianti in isola

  1. Conversione DC/AC: Trasforma l’energia solare in energia utilizzabile per impianti domestici o industriali.
  2. Gestione delle batterie: Regola il caricamento e lo scaricamento delle batterie di accumulo, ottimizzando l’autoconsumo e prolungando la vita delle batterie.
  3. Backup di emergenza: Può fornire energia di riserva in caso di blackout, alimentando i carichi critici.
  4. Monitoraggio e controllo: Integra sistemi di monitoraggio per ottimizzare le prestazioni e consentire la gestione remota.
  5. Ottimizzazione dell’autoconsumo: Gestisce la distribuzione dell’energia tra produzione, consumo e accumulo in modo efficiente.

Componenti principali di un inverter ibrido

  • Sezione di conversione DC/AC: Inverter propriamente detto, con elettronica di potenza (transistori, MOSFET, IGBT).
  • Modulo di gestione batterie: Circuiti di controllo per il caricamento e scaricamento delle batterie.
  • Sistema di controllo: Microcontrollore o DSP che esegue algoritmi di gestione e supervisione.
  • Interfaccia utente e comunicazioni: Display, porte USB, Ethernet, Wi-Fi o Bluetooth per il monitoraggio.
  • Sistema di raffreddamento: Ventilazione o raffreddamento a liquido per mantenere le temperature operative ottimali.

Caratteristiche tecniche principali

  • Potenza nominale: tipicamente da qualche kilowatt fino a decine di kilowatt (ad esempio, 3kW, 5kW, 10kW, ecc.).
  • Tensione di ingresso: variabile in base alla configurazione dei pannelli e delle batterie.
  • Tensione di uscita: generalmente 230V monofase o 400V trifase, a seconda dell’impianto.
  • Frequenza di uscita: 50Hz o 60Hz, con possibilità di regolazione.
  • Efficienza: superiore all’95%, per ridurre le perdite energetiche.
  • Range di carica/scarica batterie: tensione e corrente ottimizzate per le batterie utilizzate (ad esempio, batterie al litio, piombo-acido, ecc.).
  • Gestione di più fonti: capacità di integrare energia solare, batterie e generatori di backup.

Tipologie di batterie compatibili

INVERTER IBRIDO

Se l’inverter ibrido prevede la funzione di back-up sulla rete in caso in cui le batterie sono scariche e non ci sia energia dai pannelli dovete verificare che rispettino la normativa CEI 0-21 la quale asserisce che: l’impianto a isola su rete del DSO (Distribution System Operator) non è mai ammessa, salvo casi regolamentati su specifica richiesta del DSO, ovvero quando l’impianto di produzione dell’Utente alimenta l’intera rete o parte dalla rete del DSO.  Per quanto riguarda il gruppo elettrogeno non ci sono restrizioni.

Esempio di funzionamento di un sistema in isola con inverter ibrido

Supponiamo un impianto fotovoltaico da 2 kW con batterie da 5 kWh:

  1. Durante il giorno, i pannelli producono energia che viene utilizzata immediatamente dai carichi domestici.

2. L’energia in eccesso viene indirizzata alle batterie per il deposito.

3. Quando il sole tramonta, l’inverter gestisce il prelievo di energia dalle batterie per alimentare i carichi.

4. Se la capacità delle batterie si esaurisce, il sistema può avviare un generatore di backup (se previsto).

5. Durante eventuali blackout, l’inverter può continuare a fornire energia ai carichi critici grazie alle batterie e al sistema di backup integrato.

 

 DIMENSIONAMENTO DEL NOSTRO PROGETTO CON L’INVERTER IBRIDO

Il progetto sarà realizzato con un inverter ibrido. I valori dell’energia consumata dal posto di lavoro saranno:

CALCOLO DALLA POTENZA DEL FOTOVOLTAICO

 Per calcolare la potenza che deve avere il fotovoltaico per generare l’energia di cui abbiamo bisogno, e di conseguenza anche il numero dei pannelli fotovoltaici necessari, utilizzo la seguente espressione:

Dove: PFV = Potenza del fotovoltaico in kW; Eg= consumo di energia giornaliera in kWh; Rs/g= irraggiamento medio giorno (preso come esempio un giorno di febbraio) su una superficie inclinata in kWh/m²; K= perdite di sistema ‹Per calcolare la perdita: 1 – (Ps/100)›.

Nel nostro esempio i valori sono i seguenti: Eg= energia consumata giornalmente= 1,7 kWh; Rs/g= 2,34 kWh/m²; K= 0,64 sono le perdite di sistema.

Per questo progetto se dovessi utilizzare dei pannelli con una potenza nominale di 230 Wp, il generatore fotovoltaico avrebbe bisogno di almeno 5 pannelli (Pfv=1130 W/ 230 Wp =4,9 pannelli), se invece volessi che il generatore fotovoltaico fosse progettato come riportato nel disegno, dovrò utilizzare una stringa formata da  6 pannelli fotovoltaici in serie, per cui la potenza nominale del generatore fotovoltaico sarà di 1380 Wp.

CARATTERISTICHE ELETTRICHE DEL GENERATORE FV

 DIMENSIONAMENTO DELL’INVERTER IBRIDO

In linea generale la potenza nominale dell’inverter ibrido deve essere coerente con il numero dei pannelli e stringhe che si vogliono installare. Nel nostro caso abbiamo 6 pannelli da 230 Watt ognuno, la potenza nominale dell’impianto fotovoltaico sarebbe 1380 Watt, per cui dovremmo scegliere un inverter che supporti una potenza nominale DC proveniente dal fotovoltaico di almeno 2000 Watt.

DATI TECNICI INVERTER IBRIDO

CRITERI GENERALI PER IL GIUSTO ACCOPPIAMENTO TRA I MODULI E L’INVERTER

  • La tensione massima (Vmp)dei moduli fotovoltaici, alla minima e massima temperatura, dovrebbe avvicinarsi il più possibile alla  tensione di lavoro in corrente continua (Vcc) dell’inverter, oppure all’intervallo di lavoro MPPT ideale per ottenere le migliori prestazioni: che nel nostro esempio è: 90 e 560 V;
  • La tensione a circuito aperto Voc dei moduli fotovoltaici alla minima temperatura non deve superare la  tensione massima in ingresso tollerata dall’inverter.
  • La corrente massima di ingresso (Isc) alla massima temperatura deve essere inferiore alla corrente massima dell’inverter;
  • La potenza del campo fotovoltaico deve essere inferiore alla potenza massima di ingresso all’inverter.

LIMITI DI TENSIONE, CORRENTE, E POTENZA

Ipotizzando che la temperatura minima e massima sia -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 modulo Vmp(T)= Vmp(SCT) + [KVmp * (T.min. – 25°C)]=30 + [-0,124 *(-10 – 25)]= 34,34 V

(2) Tensione minima del modulo Vmp(T)= Vmp(SCT) + [KVmp * (T.max. – 25°C)]= 30 + [-0,124* (70 – 25)]= 24,42 V

(3) Tensione massima del modulo Voc(T)= Voc(SCT) + [KVoc * (T.min. – 25°C)]= 36,5 +[-0,124*(-10-25)]= 40,84 V

(4) Corrente massima del modulo Isc(T)= Isc(SCT) + [KIsc * (T.max. – 25°C)]= 8,27 +[0,0033 *(70 -25)= 8,4 A

Per trasformare la Voc da (%/°C) in (V°/C) usare la formula:  V/°C= (%/°C) * (Voc/100)

Dove: Kvoc: è il coefficiente di temperatura della tensione a circuito aperto (Voc), che troverete nei dati tecnici del modulo fotovoltaico, espresso in V/°C [Kvoc in V/°C=(%/°C)*(Voc/100)=-0,34*(36,5/100)=-0,124]; 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) espresso in A/°C [KIsc in A/°C=  (%/°C) * (Isc/100)= 0,04*(8,27/100)= 0,0033]; Kvmp:  è il coefficiente di temperatura della tensione alla massima potenza (Vmp) in V/°C.

Ora verifichiamo che ci sia il corretto accoppiamento:

  1. La massima tensione Vmp del generatore fotovoltaico alla minima temperatura (-10°C) deve essere minore della massima tensione MPPT dell’inverter: 34,34 * 6= 206 V ˂ 560 V 

2. La minima tensione Vmp del generatore fotovoltaico alla massima temperatura (70°C) deve essere maggiore della minima tensione MPPT dell’inverter: 24,42 *6=146 V ˃ 90 V

3. La tensione a vuoto (Voc) del generatore fotovoltaico alla minima temperatura (-10°C) deve essere minore della tensione massima dell’inverter: 40,84 * 6=245,04 ˂ 600 V

4. La potenza del campo fotovoltaico deve essere inferiore alla potenza massima di ingresso all’inverter: 1,380 ˂ 3 kW

5. La corrente massima (Isc) delle stringhe non deve superare la massima corrente in ingresso all’inverter: 8,27  ˂ 18 A.

TUTTE LE CONDIZIONI SONO STATE RISPETTATE

ACCUMULO

 Per questo impianto useremo delle batterie al Litio e utilizziamo la formula seguente:

Dove: QB= capacità batteria in Ah; Et= consumo in Wh; Ng= numero dei giorni di utilizzo; Tensione fotovoltaico; 0,9= profondità di scarica.

Potenza accumulo= VFV * Ah= 24 * 223= 5,3 kWh

Userò una batteria al Litio da 5 kWh

Inverter ibrido con collegato il carico:

PROTEZIONI DA CORTOCIRCUITI, SOVRACCARICHI, E SOVRACORRENTE

Anche se si tratta di un impianto di dimensioni ridotte, è di fondamentale importanza garantire l’installazione di dispositivi adeguati al sezionamento e la protezione contro le sovracorrenti su tutti i componenti dell’impianto stesso (in linea generale una sovracorrente è una corrente superiore alla portata del cavo e può avvenire per un sovraccarico in un circuito elettricamente integro, o dovuto a un cortocircuito che può essere provocato da un guasto). Questi dispositivi non solo assicurano il corretto funzionamento del sistema, ma proteggono anche componenti e persone da eventuali danni derivanti da malfunzionamenti o situazioni di sovraccarico. In senso generale, una situazione di sovracorrente si verifica quando la quantità di corrente che attraversa il cavo supera la sua capacità nominale. Tale evento può essere causato sia da un sovraccarico in un circuito altrimenti in buone condizioni elettriche, sia da un cortocircuito originato da un guasto. Per prevenire queste eventualità, è essenziale dimensionare correttamente la sezione del cavo di ciascuna stringa dell’impianto in modo da supportare senza difficoltà le condizioni di corrente più gravose.

Generalmente, si consiglia di considerare una corrente massima pari a 1,25 volte la corrente di corto circuito (1,25 * Isc). Questo approccio riduce significativamente il rischio di sovraccarichi. In presenza di un impianto con un massimo di due stringhe, si può adottare la stessa logica, il che potrebbe rendere superflua l’installazione di ulteriori dispositivi di protezione.

Passando alla gestione delle sovracorrenti mediante fusibili, è consigliabile seguire criteri specifici per il loro dimensionamento.

I fusibili possono essere cilindrici o a coltello, aventi caratteristica di intervento gPV (g = a pieno campo per uso generale; PV= protezione fotovoltaico), tensioni nominali fino a 1500V DC e correnti nominali fino a 500A; inoltre dovrebbero avere la possibilità di essere monitorati a distanza l’avvenuto intervento tramite appositi dispositivi di segnalazione.

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 possono utilizzare i seguenti criteri:

I valori ottenuti coprono la maggior parte delle variazioni di corrente e tensione dell’impianto.

Per evitare interventi intempestivi per proteggere il modulo, in assenza delle indicazioni da parte del costruttore, si assume In ≤ 2 Isc.

I risultati ottenuti in base a questi calcoli sono in grado di coprire efficacemente la maggior parte delle fluttuazioni di corrente e tensione che possono verificarsi durante il funzionamento del sistema.

Di norma, per tutti gli impianti fotovoltaici che hanno tre o più stringhe collegate in parallelo, viene consigliata una protezione per ciascuna stringa,

Nell’esempio qui discusso, saranno utilizzati dispositivi sia per il sezionamento sia per la protezione contro le sovracorrenti.

Nello specifico, verranno impiegati interruttori magnetotermici, adattati alle necessità del sistema.

Gli interruttori magnetotermici sono progettati per sostenere una specifica corrente nominale (In), che rappresenta il valore continuo che può circolare attraverso il dispositivo senza problemi a una temperatura ambiente standard. Tale valore è indicato direttamente sul dispositivo, e qualora si discosti dalle condizioni standard a 30 °C, viene riportata l’indicazione specifica.

I modelli più comuni di interruttori magnetotermici disponibili sul mercato offrono valori nominali quali:

6 A, 10 A, 13 A, 16 A, 20 A, 25 A, 32 A, 40 A, 50 A, 63 A, 80 A, 100 A e 125 A.

 

PROTEZIONI 

La prima protezione è l’installazione di un interruttore magnetotermico (1) specifico per corrente continua tra il pannello fotovoltaico e l’inverter ibrido. Questo dispositivo svolge una duplice funzione: permette di isolare l’impianto elettrico in modo sicuro durante eventuali interventi di manutenzione e protegge l’intero sistema da possibili sovracorrenti. Nel caso descritto in questa configurazione specifica, il magnetotermico in corrente continua deve avere una corrente nominale calcolata sulla base del valore 1,25 * Isc.

La protezione degli apparati da sovratensioni o corto circuiti avrà un In da 13A in quanto la corrente massima (Isc) proveniente dai moduli sarà di 8,27 A * 1,25=10,33 A.

(2) Un magnetotermico in corrente continua tra Inverter e batteria, essendo la corrente massima di 15 A ne metteremo uno da 20A (15*1,25=18,75 A).

(3)  Interruttore  magnetotermico consigliato 6A (Il massimo assorbimento degli apparati elettrici a 230 Volt nel nostro esempio è di circa 400Watt  (I=P/V=400/230=1,8A portato a 6A).

CAVI PER CABLARE L’IMPIANTO FOTOVOLTAICO

Il cablaggio elettrico avverrà per mezzo di cavi con conduttori isolati in rame con le seguenti prescrizioni:

  • Sezione delle anime in rame calcolate secondo norme CEI-UNEL/IEC
  • Tipo FG21 se in esterno o FG16 se in cavidotti su percorsi interrati
  • Tipo FS17 se all’interno di cavidotti di edifici

Inoltre i cavi saranno a norma CEI 20-13, CEI20-22II e CEI 20-37 I, marchiatura I.M.Q., colorazione delle anime secondo norme UNEL.

Per non compromettere la sicurezza di chi opera sull’impianto durante la verifica, o l’adeguamento, o la manutenzione, si deve rispettare la seguente colorazione:

Conduttori di protezione: giallo-verde (obbligatorio)

Conduttore di neutro: blu chiaro (obbligatorio)

Conduttore di fase: nero / marrone

Il conduttore per circuiti in corrente continua dovrà avere indicato chiaramente il segno “+” per il positivo, e si potrebbe usare un cavo di colore rosso,

e il segno “–“ per il negativo; e si potrebbe usare il colore nero.

Per il nostro esempio utilizzeremo dei cavi da 4 mm², dal generatore fotovoltaico all’inverter ibrido e potrebbero essere tipo S1Z2Z2-K.

Ora verifichiamo se la portata del cavo è in grado di sopportare la corrente circolante.

La portata di un cavo (Iz) se i due cavi sono posati in fascio nel medesimo tubo alla temperatura massima di funzionamento di 70°C (la temperatura di riferimento è 30°C) e la temperatura massima di isolamento 120 °C, vale:

Iz= k1*k2*Io = 0,74*0,8*0,9*34 A= 18,1 A

 Dove:

 k1= fattore di correzione per la temperatura di 70°C, diversa da 30°C

k2= 0,8 fattore di correzione per due circuiti in fascio (vedi tabella norma Cei-Unel 35024/1)

 0,9= riduzione della portata del 10% per posa in tubo (e non in aria),

Io= 34 A che è la portata del cavo di 4 mm² in aria libera alla temperatura di 30°C (vedi tabella).

Per cui la portata Iz =18,1 A del nostro impianto è maggiore della corrente di cortocircuito Isc massima delle stringhe che è di 8,27 A.

 CADUTA DI TENSIONE

 La caduta di tensione (∆V) del cavo tra il generatore fotovoltaico e l’inverter ibrido deve essere inferiore al 2%, per cui verifichiamo utilizzando la seguente formula:

Dove: ρ1= resistività del rame 0,0175 Ωmm²/m a 30 °C; per i cavi di stringa si assume la temperatura di 70°C a cui corrisponde ρ2= 0,0175 (1 + 0,004 (70-30))= 0,021 Ωmm²/m, s= sezione del cavo. Vmp = tensione totale del FV; Pmax= potenza totale del FV.

Per prima cosa verifichiamo la lunghezza dei cavi di sezione 4 mm² fino al quadro elettrico sezione c.c.:

  • Le connessioni tra i moduli di stringa (L1)= 6(1+0,5)m=9 m

CAMPO FOTOVOLTAICO

  • Il collegamento tra la stringa e l’inverter ibrido (L2) = 2 x 7=14 m (è stata considerata la stringa inferiore che presenta il collegamento più lungo= 7 m e si riferisce alla lunghezza del cavo tra il modulo più esterno della stringa e l’inverter ibrido).

La caduta di tensione ∆V%, quando i moduli erogano la potenza massima Pmax= 1380 Watt, e una tensione Vmp di 180 V, e utilizzando la seguente formula si ricava:

Caduta di tensione dell’0,48% inferiore al massimo consentito del 2%.

CAVO DALL’INVERTER IBRIDO ALLA BATTERIA

In linea generale si potrebbe calcolare la sezione di un cavo, conoscendo la sua lunghezza totale (andata e ritorno), la corrente che lo attraversa, e la caduta di tensione, e la resistività, applicando la seguente regola:

Dove: S è la sezione in mm²;  ρ è la resistività del materiale (Ω∙mm2/m); ∆V è la caduta di tensione (V); I è la corrente che lo attraversa (A), L è la lunghezza complessiva del cavo (andata e ritorno) espressa in metri (m).  

Oppure verifichiamo la portata del cavo che vogliamo utilizzare che nell’esempio sarà: N1VV-K UE 0,6/1 KV 

Cavo per energia, isolato in PVC sotto guaina di PVC, non propagante l’incendio e a ridotta emissione di gas corrosivi, con particolari caratteristiche di reazione al fuoco e rispondente al Regolamento Prodotti da Costruzione (CPR).

La portata dovrà essere almeno di 16 Ampere , abbondando si potrebbero usare cavi che dal regolatore si collegano all’inverter con una sezione di 16 mm².

 

Infine, per collegare l’uscita dell’inverter ibrido alle prese di corrente userò un cavo tripolare da 6 mm² tipo FG16OR16 (la portata del cavo da 6 mm² è di circa 40 A ed essendo la corrente transitante nel cavo è di 1,8 A è più che sufficiente (Il massimo assorbimento degli apparati elettrici a 230 Volt nel nostro esempio è di circa 400Watt;  I=P/V=400/230=1,8A)

Cavi multipolari per energia, isolati con gomma G16, sotto guaina di PVC, con conduttori flessibili per posa fissa. Non propaganti l’incendio, a ridotta emissione di alogeni (gas corrosivi).

MESSA A TERRA

Il campo fotovoltaico sarà gestito come sistema IT, ovvero con nessun polo connesso a terra.

In questi tipi di impianto le parti attive risultano isolate da terra, mentre le masse sono connesse a terra. Per ragioni di sicurezza l’impianto di terra del sistema fotovoltaico risulta essere in comune quello dell’utilizzatore. Tuttavia se si vuole che il dispositivo di controllo dell’isolamento dell’inverter funzioni, per monitorare il generatore FV, occorre collegare a terra le cornici e/o le strutture di supporto dei moduli anche se di classe II.

Cavo di messa a terra N1VV-K UE 0,6/1 KV da 6 mm².

 

 

PROTEZIONI DA SOVRATENSIONI

Per le sovratensioni indotte di origine atmosferica è il caso di valutare l’opportunità di dotare ciascuna stringa di dispositivi di protezione contro le sovratensioni.

Tali dispositivi chiamati SPD (Surge Protection Device) o anche scaricatori hanno il compito di scaricare a terra la sovratensione in modo che non danneggino le apparecchiature.

Come visto in precedenza per il calcolo si può utilizzare il seguente metodo:

Uc (SPD)= Voc STC (stringa)* K

Dove:

Voc STC (stringa)=Voc STC (modulo) * N

Uc (SPD): massima tensione continuativa degli SPD in CC;

Voc STC(modulo): tensione a circuito aperto del modulo FV;

Voc STC(stringa): tensione a circuito aperto della stringa;

K=1,20: coefficiente di compensazione della tensione;

N: numero dei moduli in serie in ciascuna stringa.

Nel nostro caso la tensione a circuito aperto (VOC) è di 36,5*6= 219 Volt che moltiplicato per K (1,20) risulta che la Uc(SPD) è uguale a: 263 Volt, e  installeremo un scaricatore per polo verso terra (+ e -) da 380 Volt.

Un impianto fotovoltaico con inverter ibrido rappresenta una soluzione avanzata e versatile per impianti fotovoltaici in isola, consentendo una gestione intelligente e sostenibile dell’energia. La scelta dell’inverter deve essere fatta considerando le esigenze specifiche di potenza, autonomia, tipologia di batterie, e complementarità con altri sistemi di generazione di energia.

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

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