LA PROGETTAZIONE DI IMPIANTI FOTOVOLTAICI DI PICCOLA TAGLIA

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1 ENERGIA LA PROGETTAZIONE DI IMPIANTI FOTOVOLTAICI DI PICCOLA TAGLIA Ing. Andrea Cantoro Ordine degli Ingegneri della Provincia di Bologna 28 settembre 2006 Definizione La progettazione di un impianto fotovoltaico consiste nella ricerca della condizione di migliore adattamento fra l energia l solare disponibile e l energia l richiesta dall utenza cui l impianto l è destinato. Le fasi del progetto: Calcolo dell energia raccolta dal generatore FV; Identificazione dell utenza e dimensionamento del generatore FV; Individuazione della configurazione dell impianto; Individuazione della soluzione ottimale in termini di massima economicità,, efficienza, affidabilità. PICCOLA TAGLIA 1

2 ENERGIA PRODOTTA DAI MODULI FV Irraggiamento (KW/m 2 ) e Insolazione (KWh( KWh/m 2 d) - latitudine del sito - giorno, ora, presenza di ostacoli - condizioni meteorologiche Riflettanza del terreno - coefficiente di albedo, che dipende dal tipo di suolo: erba 0,15 0,25 neve fresca 0,82 asfalto 0,09 0,15 ENERGIA PRODOTTA DAI MODULI FV Esposizione moduli - angolo di tilt e di azimuth ottimale: az.=±45 45, tilt=30-45 PICCOLA TAGLIA 2

3 ENERGIA PRODOTTA DAI MODULI FV Caratteristiche elettriche dei moduli - efficienza di conversione (typ( typ.. 7% - 15%) Temperatura operativa Temperatura Nominale Operativa della Cella (NOCT) Irraggiamento: 800W/m 2 Spettro: AM 1,5 Velocità del vento: 1m/s Ta: : 20 C. Tc=Ta Ta+(NOCT 20)*I /800 PICCOLA TAGLIA 3

4 ENERGIA PRODOTTA DAI MODULI FV Produzione energetica di un campo FV - azimuth=0, tilt=30 NORD ITALIA kwh/kwp kwp CENTRO ITALIA kwh/kwp kwp SUD ITALIA kwh/kwp kwp Premessa DIMENSIONAMENTO DEL GENERATORE FV Sistema di incentivazione di tipo ibrido Sull energia autoprodotta - risparmio sui consumi Sull energia immessa nella rete locale - rendita finanziaria PICCOLA TAGLIA 4

5 DIMENSIONAMENTO DEL GENERATORE FV Impianto finalizzato al risparmio sui consumi Caratteristica - potenza 20 KWp Opportunità - accesso alla disciplina dello scambio sul posto (Delibera AEEG 40/06, D.L. 387/2003) Aspetti fiscali (L. 133/99) - esenzione dell obbligo di officina elettrica - esenzione imposte UTIF sull energia prodotta Limite - applicabile unicamente all utenza connessa al contatore su cui insiste l impianto FV - incentivata l energia prodotta fino alla concorrenza del fabbisogno (art Del. AEEG 40/06) DIMENSIONAMENTO DEL GENERATORE FV Impianto finalizzato alla produzione di energia Caratteristica - potenza KWp Opportunità - autoconsumo Aspetti fiscali (L. 133/99) - obblighi di officina elettrica - imposizione e comunicazioni UTIF Limite - inapplicabilità della disciplina dello scambio sul posto - maggiori oneri gestionali (officina elettrica) PICCOLA TAGLIA 5

6 Esempio DIMENSIONAMENTO DEL GENERATORE FV Impianto finalizzato al risparmio sui consumi Utilizzatore domestico (3 KW) Consumo medio annuo: KWh/y Appoggio su superficie inclinata (Tilt=30 ) Orientamento: Sud-Est (Az.=45 ) Ubicazione: Bologna Rilievo clinometrico: 21 giu. 21 dic. - Perdite stimate per ombreggiamenti: 5% DIMENSIONAMENTO DEL GENERATORE FV Valutazione del rendimento globale di sistema Ubicazione: Bologna KWh/KWp KWp tilt=30,az az=0 - Riduzione per orientamento az.=45 8 % 0,92 - Riduzione per ombreggiamento 5 % 0,95 - Perdite per Tc (NOCT)>25 C (STC) 10 % 0,90 - Perdite nei conduttori 1 % 0,99 - Perdite inverter 8 % 0,92 - Perdite per impolveramento campo 1 % 0,99 Rendimento globale di sistema 0,71 Potenza teorica richiesta dal campo FV: (KWh( KWh/y) / [ (KWh( KWh/KWpKWp y) x 0,71 ] = 3,1 KWp PICCOLA TAGLIA 6

7 DIMENSIONAMENTO DEL GENERATORE FV Ipotesi di utilizzo di moduli da 160Wp (8,2m 2 /KWp): / 160 = 19,4 18 moduli - potenza nominale dell impianto fotovoltaico: 2,9 KWp - copertura prevista del fabbisogno: 96% - ingombro complessivo moduli: 24 m 2 DIMENSIONAMENTO DEL GENERATORE FV Il carico permanente del generatore FV (~20Kg/m( 2 ) richiede normalmente la verifica statica della struttura di appoggio (meno importante nel caso di impianti integrati architettonicamente). Nella posa su copertura piana è normalmente necessaria inoltre la verifica degli effetti dovuti alla spinta causata dal vento. PICCOLA TAGLIA 7

8 DIMENSIONAMENTO DEL GENERATORE FV 30 s DIMENSIONAMENTO DEL GENERATORE FV Allo scopo di massimizzare l efficienza l dell impianto, può essere indicata l applicazione di sistemi tracking Imax=60 =60 D/L=2,23 PICCOLA TAGLIA 8

9 CONFIGURAZIONE DELL IMPIANTO FV Configurazione del campo FV Raggruppamento dei moduli in stringhe (stringa = collegamento in serie di moduli) I tot = I del modulo meno performante V tot = somma delle tensioni dei singoli moduli Condizione: Voc tot= Σ Voc < Vms (V max di sistema ~750V-1000V) bypass diode CONFIGURAZIONE DELL IMPIANTO FV Configurazione del campo FV Raggruppamento delle stringhe nel campo FV Soluzione con inverter multistring - Riduzione di efficienza a causa di disadattamenti dei moduli - Maggiori perdite di potenza in dc Idc tot = Σ I stringa Vdc tot = V stringa Soluzione con inverter single string - Maggiore efficienza complessiva - Maggiore modularità Idc tot = I stringa Vdc tot = V stringa PICCOLA TAGLIA 9

10 CONFIGURAZIONE DELL IMPIANTO FV Configurazione del campo FV Il quadro distribuzione FV o quadro di campo, provvede alla protezione di ciascuna stringa da correnti inverse o corto circuiti (in caso di guasto o ombre parziali) 1 = disgiuntore bipolare 2 = diodo + fusibile serie 3 = diodi di by-pass (nella junction box del modulo) L Inverter CONFIGURAZIONE DELL IMPIANTO FV PICCOLA TAGLIA 10

11 CONFIGURAZIONE DELL IMPIANTO FV L Inverter Dispositivo elettronico di conversione statica dell energia da d.c. d (lato campo FV) ad a.c. (lato utenza/rete), mediante commutazione forzata di diodi controllati con tecnica PWM (modulazione a larghezza di impulso) senza riferimenti interni ovvero assimilabili a sistemi non idonei a sostenere la tensione in assenza di rete (ENEL DK5940) CONFIGURAZIONE DELL IMPIANTO FV L Inverter - controllo MPPT (inseguimento del punto di massima potenza), - sistema di protezione automatica contro i guasti interni, sovratensioni e sovraccarichi (dispositivo di generatore) - efficienza > 90% (D.M. 28/07/05) - rispondenza alla Direttiva Compatibilità Elettromagnetica (89/336/CEE e s.m.) - rispondenza alle normative relative all allacciamento alla rete elettrica, protezioni di max min V e f (protezione( d interfaccia secondo CEI e ENEL DK5940, separata per P>20KW) - parametri di ingresso: range di tensione operativa compatibile con quello del generatore fotovoltaico, isolamento tra lato d.c. e a.c., nonché verso terra. - caratteristiche di uscita: valore della tensione e della frequenza di uscita, THD, il controllo del cos Φ PICCOLA TAGLIA 11

12 CONFIGURAZIONE DELL IMPIANTO FV L Inverter La compatibilità con il generatore fotovoltaico Voc max stringa Tcmin) ) < Vin max inverter Vmp (max pot.) min stringa Tcmax) ) > Vin min inverter P nom campo FV < P nom inverter Esempio - campo FV da 2,9KWp - n 18 moduli 160Wp cad. -Ta min = 0 C Tcmin= 0 C Vocmax= 46,7V - Ta max = 30 c Tcmax=64 C Vmpmin= 39,9V - Inverter caratterizzato da Vin dc = V 2 stringhe x 9 mod. Vocmax= 420,3V Vmpmin= 359,1V PICCOLA TAGLIA 12

13 CONFIGURAZIONE DELL IMPIANTO FV Criteri di allacciamento alla rete Norma di riferimento: ENEL DK5940 (ed. 2.1, giu. 2006) - sostituisce ENEL DK5950 ed ENEL DK5940 ed. 2, feb. 2006, applicabile fino a gennaio 2007 per convertitori dotati di protezione d interfaccia, ancora successivamente per convertitori che ne siano privi ovvero per protezioni d interfaccia separate CONFIGURAZIONE DELL IMPIANTO FV Criteri di allacciamento alla rete Norma di riferimento: ENEL DK5940 (ed. 2.1, giu. 2006) Dispositivo Generale - interruttore con sganciatori di massima corrente - requisiti di sezionamento conformi alla CEI 64-8 PICCOLA TAGLIA 13

14 CONFIGURAZIONE DELL IMPIANTO FV Criteri di allacciamento alla rete Norma di riferimento: ENEL DK5940 (ed. 2.1, giu. 2006) Dispositivo di interfaccia Unico (CEI11-20), assicura la separazione dell impianto produttore dalla rete di distribuzione locale, costituito da dispositivo dotato di bobina di apertura a mancanza di tensione e realizzato mediante: -Interruttore automatico, oppure -Contattore combinato con fusibile o interruttore automatico, oppure -Solo per impianti con P<20KW, sezionatore di manovra combinato -Per impianti con P>20KW deve essere esterno al convertitore CONFIGURAZIONE DELL IMPIANTO FV Criteri di allacciamento alla rete Norma di riferimento: ENEL DK5940 (ed. 2.1, giu. 2006) Protezione di interfaccia Prevista dalla norma CEI11-20 a tutela dell impianto produttore e della rete in caso di malfunzionamenti durante il regime di parallelo. PICCOLA TAGLIA 14

15 CONFIGURAZIONE DELL IMPIANTO FV Criteri di allacciamento alla rete Norma di riferimento: ENEL DK5940 (ed. 2.1, giu. 2006) Dispositivo di Generatore Costituito da dispositivo dotato di sganciatore di apertura e realizzato mediante: -interruttore automatico, oppure -contattore combinato con fusibile o con interruttore automatico, oppure -sezionatore di manovra, combinato. -requisiti di sezionamento conformi alla CEI Se presente un solo generatore, il dispositivo del generatore può svolgere la funzione di dispositivo di interfaccia. In tale caso il dispositivo generale deve essere necessariamente costituito da un interruttore automatico. SICUREZZA DELL IMPIANTO Collegamenti a terra dell impianto FV Norme di riferimento: - CEI 82-4: Protezione contro le sovratensioni dei sistemi fotovoltaici (FV) per la produzione di energia - CEI 64-8: Impianti elettrici utilizzatori a tensione nominale non superiore a 1000 V in corrente alternata e a 1500 V in corrente continua La norma CEI prevede, indipendentemente dalla classe di isolamento dei componenti, la messa a terra delle masse metalliche (cornici dei moduli fotovoltaici, struttura di supporto, ecc.) La norma CEI 64-8 non consente la messa a terra delle parti metalliche dei componenti elettrici di Classe II. Se quindi tutti i componenti nti sono dotati di doppio isolamento o rinforzato è vietata la messa a terra delle masse. PICCOLA TAGLIA 15

16 SICUREZZA DELL IMPIANTO FV Protezione dai contatti indiretti Norme di riferimento: - CEI 64-8: Impianti elettrici utilizzatori a tensione nominale non superiore a 1000 V in corrente alternata e a 1500 V in corrente continua Lato a.c. la messa a terra del neutro dell impianto di produzione deve essere coordinata con lo stato del neutro della rete (TN, TT). SICUREZZA DELL IMPIANTO FV Protezione dai contatti indiretti Lato d.c. inverter senza separazione galvanica tra la sezione in dc e la sezione in ac sistema TN o TT come il lato a.c. Apparecchi e componenti di classe I, con massa metallica a terra al fine di creare una corrente di guasto facilmente rileavbile dal dispositivo di protezione coordinato con l impianto di terra (TT) o l anello di guasto (TN). inverter con separazione galvanica tra la sezione in dc e la sezione in ac sistema IT (floating( floating,, senza collegamenti a terra), elevata continuità di servizio, basse correnti di guasto, richiede dispositivi di controllo dell isolamento con interruzione al I guasto e equipotenzializzazione spinta delle masse, comunque già previsti dalla norma CEI (+ usato). sistema TT o TN (polo o punto a terra), maggiore sollecitazione dielettrica degli isolamenti, il guasto a terra è un cortocircuito. PICCOLA TAGLIA 16

17 SICUREZZA DELL IMPIANTO FV Protezione dai contatti indiretti In ogni caso deve essere soddisfatta la condizione: Ig x Re < 50V. L impianto FV generalmente non aumenta la probabilità di fulminazione dell edificio sul quale è installato. Se l edificio è dotato di impianto LPS esterno è buona norma installare il sistema fotovoltaico in un area protetta, oppure integrare l impianto ianto LPS esistente in modo che assicuri anche la protezione del sistema fotovoltaico. f In ogni caso si dovranno prevedere opportuni SPD. SICUREZZA DELL IMPIANTO Protezione contro i fulmini degli impianti FV PICCOLA TAGLIA 17

18 ENERGIA GRAZIE DELL ATTENZIONE PICCOLA TAGLIA 18

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