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1 COLLANA LEX10 - RISPARMIO ENERGETICO 3

2 Nella stessa collana 1. Daniele Alberti - Antonio Mazzon Progettazione di impianti di riscaldamento 2. Daniele Alberti - Antonio Mazzon Lex10 professional

3 Antonio Vincenti SISTEMI FOTOVOLTAICI IMPIANTI SOLARI IN CONTO ENERGIA

4 INDICE Premessa...pag. 7 CAPITOLO 1 Introduzione e cenni storici 1.1. Introduzione...» Cenni storici...» Il Sole degli antichi...» Storia dell effetto fotovoltaico...» 10 CAPITOLO 2 La radiazione solare 2.1. Cenni di geografia astronomica...» La Terra...» Il Sole...» Le interazioni tra la Terra e il Sole...» Cenni sul magnetismo terrestre...» L irraggiamento extratmosferico e la costante solare...» Lo spettro solare...» Il rilevamento degli astri nella volta celeste...» L irraggiamento al suolo...» L irraggiamento al suolo in condizioni di giornata serena...» Inclinazione della superficie captante...» Radiazione diretta incidente su una superficie inclinata...» Radiazione diffusa incidente su una superficie inclinata...» Radiazione riflessa incidente su una superficie inclinata...» Radiazione globale incidente su una superficie inclinata...» Scomposizione della radiazione solare...» 34 CAPITOLO 3 Fisica della conversione fotovoltaica 3.1. La costante di Planck e l energia del fotone...» La fisica dell effetto fotovoltaico...» Struttura a bande di energia...» L effetto fotoelettrico...» Coppie elettrone-lacuna...» Processo di drogaggio dei semiconduttori...» Giunzione p-n...» 44 CAPITOLO 4 Componenti di un impianto fotovoltaico connesso in rete 4.1. Sistemi fotovoltaici...» La cella fotovoltaica...» Il modulo fotovoltaico...» Il generatore fotovoltaico...» L inverter...» Le strutture di sostegno...» Sistemi fotovoltaici integrati in architettura...» 57

5 CAPITOLO 5 Progettazione di un impianto fotovoltaico connesso in rete 5.1. Studio di fattibilità e analisi dell utenza...» Analisi delle ombre e diagrammi solari...» Studio delle ombre sistematiche tra file parallele...» Analisi di producibilità di un impianto fotovoltaico...» Criteri di scelta dei componenti...» Moduli fotovoltaici...» Convertitori statici...» Cavi elettrici per energia...» Quadri elettrici...» Quadro di campo...» Quadro di interfaccia rete...» Sistemi di distribuzione per impianti fotovoltaici...» Criteri di protezione dalle scariche atmosferiche...» Strutture sprovviste di impianto LPS...» Strutture provviste di impianto LPS...» Manutenzione di un impianto fotovoltaico...» 72 CAPITOLO 6 Aspetti economici 6.1. Il costo del chilowattora...» L energy pay back time...» Il conto energia...» 76 CAPITOLO 7 Software di calcolo per impianti solari fotovoltaici tetti FV 7.1. Presentazione del software...» Requisiti minimi di sistema...» Installazione...» Installazione del programma...» Attivazione del programma...» Il sistema di protezione...» Attivazione via Internet...» Istruzioni per la attivazione via Internet...» La chiave software...» Come collegare la chiave per la prima volta...» Come scollegare la chiave...» Come collegare la chiave scollegata...» Esempi riepilogativi sull utilizzo della chiave software...» Attivazione telefonica...» Descrizione dell ambiente di lavoro...» 85 Appendice legislativa...» 103 Glossario Terminologia tecnica...» 157 Bibliografia...» 171

6 Premessa L energia solare è tra le fonti energetiche, quella in maggiore abbondanza sulla Terra. Ogni anno infatti, il Sole irradia sul nostro pianeta circa miliardi di TEP (Tonnellate equivalenti di Petrolio) mentre solo 9 miliardi di TEP sarebbero sufficienti a soddisfare le richieste energetiche di tutto il pianeta. A fronte di ciò, l Italia, il Paese del Sole è tra i Paesi meno solarizzati, nonostante goda di condizioni climatiche favorevoli allo sviluppo di sistemi solari. Dall enorme successo del sistema di incentivazione in conto energia si avverte l interesse dell opinione pubblica ad investire in una fonte energetica pulita, duratura e redditizia. Con l intento di diffondere capillarmente la tecnologia del solare fotovoltaico in Italia e di raggiungere gli obiettivi Nazionali auspicati dal protocollo di Kyoto, è stato creato questo testo, che fornisce le nozioni tecnico-progettuali, aggiornate fino a considerare lo stato dell arte attuale unitamente al software allegato, che consente con estrema semplicità di creare tutta la documentazione necessaria per accedere alle tariffe incentivanti stabilite con il DM 28/07/2005 e successive integrazioni (Decreto 6 febbraio 2006). Nel testo vengono discussi gli aspetti relativi alla tecnologia di conversione della radiazione solare, le metodologie di calcolo e dimensionamento dei sistemi fotovoltaici connessi in rete. Il primo capitolo è dedicato alla storia dell energia solare, dall antichità ai giorni nostri; nel secondo capitolo vengono studiate le proprietà della radiazione solare; il terzo capitolo riguarda la fisica della conversione fotovolaica; il quarto capitolo illustra i componenti principali di un sistema fotovoltaico connesso in rete; il quinto capitolo tratta la progettazione di un impianto fotovoltaico connesso in rete con riferimento alle soluzioni attualmente disponibili sul mercato; nel sesto capitolo vengono studiati gli aspetti economici di un impianto fotovoltaico mentre nel settimo capitolo vengono illustrate le principali disposizioni di legge relative all implementazione di sistemi fotovoltaici sul territorio Nazionale. Realizzare un libro è un operazione complessa e richiede parecchi controlli sulla veridicità delle informazioni trattate, l esperienza insegna tuttavia, che pubblicare un opera priva di errori è praticamente impossibile, pertanto è gradito qualsiasi suggerimento atto a migliorare il contenuto della pubblicazione. 7

7 Figura 7.1 Sezione DATI UTENTE FINESTRA PRINCIPALE SEZIONE DATI IMPIANTO Campo input Descrizione COMMITTENTE POSIZIONE Inserire il nominativo del committente. La relazione tecnica e/o il preventivo verranno salvati con il nominativo del committente. Inserire la posizione del committente (proprietario, locatario, ecc.). RAPPRESENTANTE Inserire il nominativo del rappresentante legale. LEGALE CAP INDIRIZZO Inserire il codice avviamento postale del committente. Inserire l indirizzo del committente. 86

8 TELEFONO CODICE FISCALE PARTIVA IVA Inserire il numero di telefono del committente. Inserire il codice fiscale del committente. Inserire la partita IVA del committente. LOCALITÀ DI REALIZZAZIONE DELL INTERVENTO CITTÀ Inserire la città nella quale dovrà essere realizzato l impianto fotovoltaico. INDIRIZZO CAP INTESTATARIO DELL UTENZA DESTINAZIONE D USO NUMERO UTENZA Inserire l indirizzo della località nella quale dovrà essere realizzato l impianto fotovoltaico. Inserire il codice avviamento postale della località nella quale dovrà essere realizzato l impianto fotovoltaico. Inserire il nominativo dell intestatario dell utenza elettrica corrispondente all impianto sul quale dovrà essere realizzato l impianto fotovoltaico. Inserire la destinazione d uso dell immobile sul quale dovrà essere realizzato l impianto fotovoltaico. Inserire il numero dell utenza elettrica corrispondente all impianto sul quale dovrà essere realizzato l impianto fotovoltaico. In caso di nuova utenza inserire: Nuova utenza. POTENZA Inserire il valore in kw della potenza impegnata con l ente IMPIEGATA (KW) distributore dell energia elettrica. TARIFFA TIPO DI UTENZA CONSUMI Inserire il tipo di tariffa stipulata con l ente distributore dell energia elettrica. Inserire il tipo di utenza (monofase o trifase) corrispondente all impianto sul quale dovrà essere realizzato l impianto fotovoltaico. Inserire il consumo di energia annuo dell utenza (kwh/anno). 87

9 DATI RELATIVI ALLE IMPRESE DETTAGLI ISCRIZIONE AL TRIBUNALE Inserire i dettagli relativi all iscrizione al tribunale. DETTAGLI ISCRIZIONE ALLA CCIAA Inserire i dettagli relativi all iscrizione alla camera di commercio. Finestra principale Sezione DATI IMPIANTO Ciccando su DATI IMPIANTO è possibile immettere i dati relativi all impianto, compilando i campi input delle sezioni così come descritto di seguito. Nella fase iniziale dello studio di un impianto fotovoltaico connesso in rete, è necessario raccogliere una serie di informazioni che sono essenziali per il corretto dimensionamento del sistema. Gli elementi da tenere in considerazione sono: la località del sito; la presenza di eventuali fenomeni di ombreggiamento sulla superficie captante; il fattore di albedo (composizione dell ambiente circostante per il calcolo della componente riflessa della radiazione solare); Figura 7.2 Sezione DATI IMPIANTO 88

10 il posizionamento del generatore fotovoltaico; l esposizione del generatore fotovoltaico; la tipologia di posizionamento del generatore fotovoltaico (retrofit o strutturale); i dispositivi fotovoltaici da utilizzare. DATI RELATIVI ALL IMPIANTO INSERIMENTO Consente di inserire una località con relativi dati climatici (rica- LOCALITÀ vati dalla Norma UNI 10349). INSERIMENTO INVERTER INSERIMENTO MODULO Consente il dimensionamento dell'impianto fotovoltaico in funzione delle caratteristiche dell inverter immesso. Consente il dimensionamento dell'impianto fotovoltaico in funzione delle caratteristiche del modulo immesso. DATI RELATIVI AL POSIZIONAMENTO DEL GENERATORE FV INSERIMENTO ALBEDO Consente il calcolo della componente riflessa. ESPOSIZIONE SCELTA DEI MODULI Selezionata una località, tra quelle inserite nel database, il programma suggerisce l'esposizione consigliata al fine di massimizzare la producibilità dell'impianto. È possibile variare tali valori in funzione della reale esposizione del campo fotovoltaico. COEFFICIENTE DI Fattore di riduzione che consente di dimensionare l'impianto OMBREG.MENTO tenendo conto di eventuali fenomeni di ombreggiamento. È un (K) valore che viene stimato dal progettista o ricavato dai diagrammi dei percorsi solari per il sito in esame. RETROFIT/ STRUTTURALE È possibile specificare se l'installazione dei pannelli sarà strutturale, l elemento fotovoltaico sostituisce l elemento edile o retrofit, l elemento fotovoltaico si aggiunge all elemento edile. POSIZ. GENERATORE FV voltaico. Consente di inserire la tipologia di installazione del campo foto- 89

11 Finestra principale Sezione CALCOLI Immessi tutti i dati dell impianto e ciccando su CALCOLI, il programma suggerisce l intervallo di accettabilità di ciascun elemento (numero di moduli per stringa, numero di stringhe in parallelo). Ciccando su CONFIGURA IMPIANTO, il software automaticamente identifica la migliore configurazione dell impianto fotovoltaico in funzione dei dati inseriti. È possibile variare la configurazione in base alle esigenze progettuali ciccando sui comandi RIDUCI e/o AUMENTA. Anche in questo caso il programma suggerisce mediante la codifica dei colori (Rosso = FAIL; Blue = OK) l intervallo di compatibilità degli elementi selezionati. In caso di caratteristiche elettriche non compatibili, è possibile che non si verifichi un perfetto accoppiamento tra il generatore fotovoltaico e l inverter, in questo caso, ciccando su CONFIGURA IMPIANTO, il software segnala l anomalia mediante un messaggio che invita a sostituire la configurazione scelta. Individuata la configurazione ottimale del sistema è possibile aumentare la potenza dell impianto aumentando il numero degli inverter in parallelo. È opportuno sottolineare che per impianti fotovoltaici con potenza maggiore di 6 kwp la configurazione del sistema deve necessariamente essere trifase; ciò è ottenibile inserendo un inverter centralizzato trifase o distribuendo equamente tra le fasi più inverter monofase, ciascuno collegato tra una fase e il neutro. Figura 7.3 Sezione CALCOLI 90

12 DATI TECNICI N. MODULI Indica il numero di moduli collegati in serie a formare una stringa. PER STRINGA N. STRINGHE Indica il numero di stringhe collegate in parallelo. IN PARALLELO N. INVERTER Indica il numero di inverter collegati in parallelo a formare il IN PARALLELO campo fotovoltaico. NUMERO TOTALE DI MODULI Indica il numero totale di moduli che compongono il generatore fotovoltaico. SUPERFICIE DELL IMPIANTO voltaico. Indica la superficie in metri quadri occupata dall impianto foto- PRODUCIBILITÀ Indica la quantità di energia elettrica prodotta in un anno dal- TOTALE ANNUA l impianto fotovoltaico (kwh/anno). POTENZA DI STRINGA POTENZA EFFETTIVA IMPIANTO TENSIONE DI STRINGA A 25 C TENSIONE DI STRINGA A 10 C TENSIONE DI STRINGA A 50 C TENSIONE DI STRINGA A 70 C Indica la potenza in W di una singola stringa. Indica la potenza effettiva in W dell intero impianto fotovoltaico. Indica il valore in V della tensione di stringa alla temperatura dei moduli di 25 C. Indica il valore in V della tensione di stringa alla temperatura minima di funzionamento dei moduli. Indica il valore in V della tensione di stringa alla temperatura d esercizio dei moduli. Indica il valore in V della tensione di stringa alla temperatura massima di funzionamento dei moduli. 91

13 TENSIONE DI STRINGA A VUOTO A 10 C Indica il valore in V della tensione di stringa a vuoto alla temperatura minima di funzionamento dei moduli. TENSIONE DI STRINGA A VUOTO 25 C Indica il valore in V della tensione di stringa a vuoto alla temperatura dei moduli di 25 C. CORRENTE MAX Indica la massima corrente misurata in A, in uscita dal genera- GENERATORE FV tore fotovoltaico. POTENZA MASSIMA INVERTER NOMINAL POWER RATIO Indica la potenza massima in W in ingresso all inverter. Indica il valore percentuale del rapporto tra la P dc,max e la potenza massima in ingresso all inverter. Finestra principale Sezione STRUTTURA DI SOSTEGNO Consente di inserire i dettagli relativi al sito di installazione, alla struttura di sostegno e al posizionamento dei moduli in funzione della tipologia di installazione scelta. DETTAGLI DI Consente di inserire una breve descrizione (max 255 caratteri) INSTALLAZIONE del sito di installazione. È possibile specificare nel campo DESCRIVERE BREVEMENTE IL SITO DI INSTAL- LAZIONE se l impianto sarà installato in un edificio soggetto a vincoli paesaggistici. DETTAGLI STRUTTURA DI SOSTEGNO Consente di inserire una breve descrizione (255 caratteri) della struttura di sostegno dei moduli. POSIZIONAMENTO Consente di specificare il tipo di posizionamento dei moduli in MODULI copertura piana (orizzontale o verticale) e di calcolare le distanze minime (parziale1, parziale2 e distanza totale tra un modulo e l'altro). Per tutte le altre tipologie di installazione dei moduli, inserire una breve descrizione (max 255 caratteri) relativa al posizionamento dei moduli. 92

14 Figura 7.4 Sezione STRUTTURA DI SOSTEGNO Finestra principale Sezione PREVENTIVO Consente di creare un preventivo dettagliato e uno studio di fattibilità dell idea progettuale. Figura 7.5 Sezione PREVENTIVO 93

15 Figura 7.6 Sezione PREVENTIVO con IRPEF (36%) ENTITÀ DEL Identifica il valore della tariffa incentivante stabilita nel DM KWF FV PRODOTTO ENTITÀ DEL KWH ACQUISTATO Identifica il valore d acquisto stabilito dall ente distributore dell energia elettrica. ANTICIPO/ Identifica il valore in euro del deposito cauzionale da versare DEPOSITO come stabilito nel DM CAUZIONE IN EURO Nel caso di cumulabilità degli incentivi in conto energia con la detrazione IRPEF, come stabilisce il DM la tariffa incentivante viene ridotta del 30%. Finestra principale TOOLBAR Figura 7.7 Barra degli strumenti 94

16 Icona/comando Descrizione Consente di creare un nuovo progetto eliminando quello attuale. Consente di aprire un progetto precedentemente salvato con Tetti FV. Consente di salvare su file con estensione.fv il progetto attuale. Consente di visualizzare l interfaccia SELEZIONA LOCALITÀ. Consente di visualizzare l interfaccia SELEZIONA MODULO. Consente di visualizzare l interfaccia DETTAGLI INVERTER. Consente di visualizzare l interfaccia IMPOSTAZIONI (temperatura moduli, efficienza del BOS, ecc.). Consente di verificare la presenza in rete di aggiornamenti al software. Consente di creare su file con estensione.doc la documentazione necessaria per accedere ai vari contributi (Conto energia, Legge 10/91). Consente di visualizzare il grafico relativo alla radiazione solare media mensile. Consente di uscire definitivamente dal programma. È possibile in ogni momento verificare le caratteristiche del modulo e/o della località e/o dell inverter inserito agendo sulla toolbar o sugli appositi comandi. Finestra secondaria SELEZIONA LOCALITÀ Consente di inserire/modificare/cancellare/selezionare una località. 95

17 Figura 7.8 Interfaccia SELEZIONA LOCALITÀ Il database del software, aggiornato alla norma UNI Dati climatici, contiene 103 località italiane (capoluoghi di provincia). SELEZIONE LOCALITÀ PERMETTE DI: Aggiungere un elemento nel database cliccando su AGGIUNGI. Cancellare un elemento del database cliccando su CANCELLA. Salvare un elemento nel database, precedentemente inserito, cliccando su SALVA. Modificare un elemento del database cliccando su MODIFICA. Selezionare un elemento del database cliccando su SELEZIONA. Abbandonare la finestra cliccando su ESCI. Finestra secondaria SELEZIONA MODULO Consente di inserire/modificare/cancellare/selezionare un modulo fotovoltaico. Figura 7.9 Interfaccia SELEZIONA MODULO 96

18 Il database del software, contiene oltre 200 moduli fotovoltaici comunemente utilizzati in Italia. SELEZIONA MODULO PERMETTE DI: Aggiungere un elemento nel database cliccando su AGGIUNGI. Cancellare un elemento del database cliccando su CANCELLA. Salvare un elemento nel database, precedentemente inserito, cliccando su SALVA. Modificare un elemento del database cliccando su MODIFICA. Selezionare un elemento del database cliccando su SELEZIONA. Abbandonare la finestra cliccando su ESCI. Il valore del coefficiente termico V oc (%/ C) è indicato nelle specifiche tecniche del modulo o altrimenti ricavabile mediante la seguente formula: V oc (%/ C) = (α V oc / V oc ) 100 in cui αv oc è il coefficiente di temperatura della V oc espresso in V/ C. Finestra secondaria DETTAGLI INVERTER Consente di inserire/modificare/cancellare/selezionare un inverter. Figura 7.10 Interfaccia DETTAGLI INVERTER Il database del software, contiene i convertitori comunemente utilizzati in Italia. DETTAGLI INVERTER PERMETTE DI: Aggiungere un elemento nel database cliccando su AGGIUNGI. Cancellare un elemento del database cliccando su CANCELLA. Salvare un elemento nel database, precedentemente inserito, cliccando su SALVA. Modificare un elemento del database cliccando su MODIFICA. Selezionare un elemento del database cliccando su SELEZIONA. Abbandonare la finestra cliccando su ESCI. 97

19 Le caratteristiche elettriche e meccaniche dell inverter sono indicate nelle specifiche tecniche. Finestra secondaria PREFERENZE La finestra secondaria PREFERENZE è suddivisa in 5 schede. La prima scheda, PROGETTISTA, consente di inserire/modificare/cancellare i dati relativi al progettista. Tali dati verranno successivamente inseriti nella relazione/offerta. Figura 7.11 Interfaccia PREFERENZE, scheda PROGETTISTA La seconda scheda, ENTE, consente di modificare i dati relativi all ente distributore dell energia elettrica. Figura 7.12 Interfaccia PREFERENZE, scheda ENTE La terza scheda, TARIFFE CE, consente di modificare i dati relativi alle tariffe incentivanti in conto energia. 98

20 Figura 7.13 Interfaccia PREFERENZE, scheda TARIFFE CE La quarta scheda TEMP. MODULI, consente di modificare i dati relativi alla temperatura di funzionamento dei moduli. Figura 7.14 Interfaccia PREFERENZE, scheda TEMP. MODULI La quinta scheda B.O.S. consente di modificare l efficienza del B.O.S. Figura 7.15 Interfaccia PREFERENZE, scheda B.O.S. 99

21 Finestra secondaria OPZIONE STAMPA Consente di creare la documentazione necessaria per accedere ai vari contributi. Figura 7.16 OPZIONE STAMPA Scegliendo di creare la documentazione relativa alla Legge 10/91, si seleziona LEGGE 10/91. Viene visualizzata la finestra LEGGE 10/91, nella quale è possibile inserire i dati necessari per la compilazione degli allegati. Figura 7.17 LEGGE 10/91 100

22 Finestra secondaria GRAFICO (radiazione solare media mensile) Consente di visualizzare e stampare il grafico a barre della radiazione solare media mensile. Figura 7.18 Grafico della radiazione solare media mensile 101

INDICE. Premessa...pag. 7

INDICE. Premessa...pag. 7 INDICE Premessa...pag. 7 CAPITOLO 1 Introduzione e cenni storici 1.1. Introduzione...» 9 1.2. Cenni storici...» 10 1.2.1. Il Sole degli antichi...» 10 1.2.2. Storia dell effetto fotovoltaico...» 10 CAPITOLO

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