Componenti elettrici di un sistema FV (2)

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Giancarlo Mori
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1 Componenti elettrici di un sistema FV (2) Queste problematiche sono estremamente importanti per la salvaguardia delle prestazioni del sistema di accumulo e degli operatori che intervengono nella manutenzione dello stesso infatti, qualora venissero utilizzate batterie al piombo-acido, dove ogni elemento ha una tensione di 2 volts, al raggiungimento di 2,4 V/elemento si potrebbero sviluppare dei gas tossici in grado di formare miscele esplosive. Il Regolatore di carica interrompe il flusso di corrente alle batterie quando la stessa ha raggiunto la sua capacità massima di stoccaggio di carica. Gli ultimi sistemi di regolazione della carica applicano una strategia di ricarica a 3 fasi: 1. Fase Bulk: carica a corrente costante fino a quando la batteria è aldisotto della sua tensione di pena carica 2. Fase Absorption: mantiene per un certo tempo la tensione al di sopra del valore di piena carica 3. Fase Float: è la carica di mantenimento MPPT (Maximum Power Point Tracker) Questo dispositivo, inserito fra il generatore fotovoltaico e l Inverter, è in grado di far lavorare il campo fotovoltaico sempre al suo punto di massima potenza, pur variando le condizioni di temperatura ed irraggiamento. Alcune volte il sistema MPPT è inserito direttamente nell Inverter. 12

2 Componenti elettrici di un sistema isolato (1) Batterie di Accumulo Interruttori Inverter + Regolatore di carica Pannello 13

3 Componenti elettrici di un sistema isolato (2) Regolatore di carica a Microprocessore 14

4 Schema di dimensionamento 15

5 Valutazione del carico (E g ) Questa fase è estremamente importante perché un eventuale errore potrebbe compromettere il buon funzionamento di tutto il sistema. E buona norma costruirsi una tabella dei carichi per i diversi periodi dell anno, individuando per i carichi della stessa specie, il fattore di contemporaneità. Quest ultimo indica, qualora vi siano ad esempio più televisori o più lampade, se le utenze vengono utilizzate contemporaneamente nel periodo di interesse del carico. Un esempio è riportato nella tabella sottostante. Periodo ESTIVO Tipo di Carico Qt. Potenza Potenza Ore/ gg Fattore di Consumo Unitaria (W) Totale (W) contemporaneità (Wh/ g) Frigorifero , Lampade ,5 450 Lampade ,8 384 Televisore ,0 600 Stereo ,0 450 Congelatore , TOTALE

6 Calcolo dei rendimenti Tipo A: Perdite di mismatching: sono dovute alla non uniformità delle prestazioni elettriche fra i vari moduli (circa 1% per pochi Wp, dal 3 al 4% per pochi kwp e dal 5 al 6% per grandi potenze (MWp). + Perdite per scostamento dalle condizioni STC (oscillano fra 5 e 8%) Tipo B: Perdite per riflessione pari a circa il 3% + Perdite per basso soleggiamento ed ombreggiamento reciproco: da 2 a 5% Tipo C: Perdite in corrente continua: sono dovute alla resistenza dei cavi, dei diodi, degli interruttori (variabili fra 1 e 2%) Tipo D: Perdite sul sistema di accumulo (Impianti isolati) variabili da 10 a 12 %. Tipo E: Perdite sull Inverter: dal 4 al 10% per i Grid Connected, dal 8 al 15% per i sistemi Stand-Alone Tipo F: Perdite per polluzione, dovute cioè ai fenomeni di inquinamento locali, circa l 1% 17

7 Esempio di calcolo del rendimento globale η = η η g FV bos Perdite (%) del sistema fotovoltaico (Balance Of System - bos) Rendimenti (%) Rendimenti Perdite per bassa radiazione e ombreggiamento 3 Perdite per riflessione ,94 Perdite per mismatching tra le stringhe o i moduli 3 Perdite per effetto della temperatura ,91 Perdite sull'inverter ,90 Perdite per polluzione sui moduli ,99 Perdite sul sistema di accumulo ,89 Perdite sui circuiti in corrente continua ,99 TOTALE (uguale al prodotto dei rendimenti) 67 0,67 Rendimento di conversione dei moduli fotovoltaici 13 0,13 Rendimento totale del sistema fotovoltaico 8,73 0,087 18

8 Dimensionamento (1) Determinare l energia la radiazione globale giornaliera media, G m, incidente nel luogo dove intendiamo posizionare i pannelli. La determinazione di questa grandezza può essere effettuata mediante l acquisizione dei dati meteo locali e/o utilizzando il metodo di Liu-Jordan. E opportuno che venga deciso l angolo di inclinazione del sistema fotovoltaico in funzione dell utilizzo, invernale o estivo, che si intende fare. A questo punto è indispensabile calcolare l energia giornaliera richiesta dal carico elettrico, E c, e porre quest ultimo uguale alla energia fotovoltaica prodotta, E g ; ciò consente la determinazione della superficie minima di pannelli fotovoltaici necessaria alla produzione richiesta. E = η A G K [ Wh / giorno] g g g m ηg = ηfv ηbos A questo punto è possibile calcolare la potenza di picco del generatore, P g : E, quindi la capacità della batteria di accumulatori, Q b : A Q E c 2 g min = [ m ] ηg Gm K b = E c max η b Pg = Dmod Ag min [ Wp ] N ga DOD [ Wh] 19

9 Dimensionamento (2) La coppia di valori P g -Q b trovata in precedenza è la soluzione ad area minima ma qualora si decidesse di aumentare la taglia del generatore fotovoltaico si otterrebbe un accumulo minore. Bisogna tenere presente che sia la potenza del generatore che la carica delle batterie non possono variare in modo continuo ma solo a passi discreti. Ad esempio il voltaggio dei pannelli varia in genere a scatti di 12V così come la carica degli accumulatori va a passi di circa 25 Ah: 100, 125, 150.Ah. Il numero dei giorni di autonomia dell accumulo è consigliabile che sia maggiore di 3 giorni: 4 o 5 per esempio. Poiché la capacità delle batterie in commercio viene fornita in Ah e non Wh, come nella formula precedente, è opportuno decidere il voltaggio di alimentazione del carico o dell Inverter in modo da calcolare la carica in Ah nel modo seguente: Carica Batteria in [Wh] Carica Batteria in [Ah]= Tensione di alimentazione [V] La carica di una batteria viene però in genere indicata per una scarica in 10 ore (C 10 ), ad esempio una batteria da 100 Ah riesce a fornire per 10 ore una corrente di 10A; poiché abbiamo supposto che gli accumulatori che equipaggiano l impianto debbano fornire energia per circa 4 giorni, 100 ore, è necessario scegliere batterie più capienti al fine di rispondere alle esigenze, oppure fare riferimento ai dati tecnici del costruttore delle batterie riferendosi al valore di capacità per una scarica in 100 ore, (C 100 ). 20

10 Simbologia A cella Area di una cella fotovoltaica [m 2 ] A g Area del sistema fotovoltaico [m 2 ] D mod Densità di potenza del modulo fotovoltaico scelto [W p /m 2 ] G m Radiazione globale media giornaliera su base mensile sul piano dei moduli [Wh/m 2 /giorno] E cmax Valore massimo di Energia giornaliera media mensile richiesta dal carico [Wh/giorno] E g Energia giornaliera media mensile prodotta dal generatore [Wh/giorno] E c Energia giornaliera media mensile richiesta dal carico elettrico [Wh/giorno] G m Radiazione globale media giornaliera, su base mensile, sul piano dei moduli [Wh/m 2 /giorno] I M Corrente nel punto di massima potenza [A] I SC Corrente di corto circuito [A] K Coefficiente di ombreggiamento (0,95 0,97) N ga Numero di giorni di autonomia del sistema di accumulo batteria in assenza dell irraggiamento solare P STC Potenza massima producibile dalla cella in condizioni STC [Wp] R STC Irradianza STC, pari a 1000 [W/m 2 ] V M Tensione nel punto di massima potenza [V] Tensione a circuito aperto [V] V OC η FV η bos η g η b Rendimento del modulo fotovoltaico Rendimento del sistema di trasformazione Rendimento globale del sistema fotovoltaico Rendimento del sistema di accumulo 21

11 Glossario Albedo Coefficiente medio di riflessione calcolato nel range 0,4 1,2 mm Anodo Elettrodo positivo di un accumulatore bos Balance of System sono le perdite associate al sistema di trasformazione e conversione elettrica oltre che quelle dovute riflessione,mismatching e polluzione sui moduli Campo Insieme di moduli connessi elettricamente fra di loro Catodo Elettrodo negativo di un accumulatore Cella Unità base della generazione fotovoltaica DOD Depth of Discharge profondità di scarica della batteria circa 0,8 Inverter Convertitore di CC in CA Modulo Insieme di celle fotovoltaiche assmblate fra loro. La più piccola unità rimpiazzabile in un campo fotovoltaico MPPT Maximum Power Point Tracker inseguitore del punto di massima potenza Piranometro Strumento usato per misurare la radiazione solare globale Pireliometro Strumento usato per misurare la radiazione solare diretta Potenza [Wp] Potenza di picco potenza massima prodotta da un dispositivo fotovoltaico in condizioni standard di funzionamento (1000 W/m 2 di irraggiamento e 25 C di temperatura ambiente) Raddrizzatore Convertitore di CA in CC Regolatore Dispositivo che controlla e gestisce lo stato di carica delle batterie 22

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