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1 Dipartimento di Energia Sezione Elettrica Grande Capannone 2 Piano Via La Masa Milano Tel: Fax: CALCOLO DEL PERFORMANCE RATIO E DEL FATTORE DI TRASPOSIZIONE DELL IMPIANTO FV SITO IN TUSCANIA DI PROPRIETÀ DELLA SOCIETÀ CONVERT NEL PERIODO 01/06/ /05/2010 Roberto Faranda, Moris Gualdoni, Sonia Leva 1. Introduzione Il Performance Ratio (PR) è uno degli indici delle prestazioni di un impianto fotovoltaico definiti dalla norma CEI EN [1] e IEA PVPS Task II [2]. Per quanto riguarda gli impianti con inseguitori solari un altro importante indice è il fattore di trasposizione (TF). Il PR è una quantità adimensionale che indica la porzione di energia giornaliera/mensile/annuale netta in uscita dall intero sistema fotovoltaico rispetto a quella teorica in ingresso dal campo fotovoltaico. Il PR non rappresenta la quantità di energia prodotta, infatti sistemi con basso PR in un sito con elevato irraggiamento possono produrre più energia di un sistema con alto PR localizzato in un luogo con scarso irraggiamento, ma l efficienza complessiva di tutti i dispositivi necessari al funzionamento dell impianto in condizioni reali di funzionamento. Dal punto di vista analitico esso si può esprimere nel modo seguente: PR Y E G E Y P G P f use, τ I, ref use = = =, τ r 0 τ r I 0 dove Y f è il Final Yield, dato dal rapporto tra l energia Euse, τ prodotta nell intervallo di tempo considerato τ r misurata a valle dell inverter e la potenza di picco dell impianto oggetto di studio P 0, e Y r è il Reference Yield, dato dal rapporto tra la radiazione solare nell intervallo di tempo considerato sul piano dei moduli τ e l irraggiamento solare in condizioni di prova standard G Iref,. r G day I Il fattore di trasposizione (TF) è dato dal rapporto tra l'energia solare incidente in un periodo di tempo su di un piano differentemente orientato e inclinato rispetto a quella incidente sul piano orizzontale: Yr TF = Y rg 1 Y r dove Y rg è il Reference Yield misurato sul piano orizzontale (ground). Esso indica la maggiore quantità di energia che è possibile captare con un inclinazione e un orientamento dei moduli rispetto a quella captabile con i moduli sul piano orizzontale. 07/10/2010 1

2 Nel seguito viene inizialmente presentata una panoramica relativa ai valori di PR misurati da diversi enti/centri di ricerca e reperibili in bibliografia così da avere importanti riferimenti per la valutazione della qualità di un impianto fotovoltaico. Inoltre, al fine di comparare le caratteristiche del sistema ad inseguimento, si riportano i valori di energia captabile in località Tuscania così come indicati nel database PVGIS. Successivamente vengono presentati, con riferimento al periodo dal 01/06/2009 al 31/05/2010, i risultati ottenuti relativamente ai PR e TF a partire dai dati misurati in campo relativamente all impianto sito in Tuscania di proprietà della società Convert. Si farà riferimento per i 9 campi considerati ai valori di Euse, τ, Yr e Yrg necessari per calcolare i due indici descritti precedentemente. 2. VALORI TIPICI MISURATI DI PR NEGLI IMPIANTI FV Allo scopo di comparare i risultati ottenuti con riferimento all impianto sito in Tuscania, nel seguito viene presentata una panoramica relativa ai valori di PR misurati da diversi enti/centri di ricerca reperibili in bibliografia. È importante sottolineare che i valori di PR nel seguito riportati riportati sono calcolati secondo quanto indicato dalla normativa citata e sono comprensivi di tutti i fenomeni che possono ridurre la produzione di un impianto fotovoltaico (malfunzionamenti dei componenti, cattiva qualità della rete elettrica, ombreggiamenti, ecc.) Un primo riferimento è costituito dalle pubblicazioni relative ai dati collezionati e elaborati dal Photovoltaic Power Systems Programme dell International Energy Agency (IEA PVPS) 1 che si basa su dati di numerosi impianti fotovoltaici distribuiti in tutto il mondo. In particolare considerando il riferimento [3], che valuta sia impianti di tipo residenziale sia centrali fotovoltaiche distribuiti in 17 differenti nazioni e costruiti tra il 1983 e il 2006, si può osservare, dai dati forniti che fanno riferimento a campagne di monitoraggio degli ultimi 15 anni, che il PR raggiunge solo in pochi casi valori dell 88%. Il 35% degli impianti monitorati hanno un PR compreso tra il 72,5% e il 77,5% (Fig. 1). Il valore medio del PR cresce da 0,68, per gli impianti costruiti nel 1994, a 0,72 per quelli costruiti nel 2004 (Fig. 2). Analizzando i dati riferiti alla produzione dei 15 più grandi impianti FV, nei quali la potenza di picco varia tra i 114kW e i 3000kW, presenti nel database del PVPS IEA [4], si osserva una significante variabilità del PR: il valore medio annuale è pari al 0,66, il migliore ha un valore pari al 0,81 (Fig. 3). 1 Il PVPS è un programma collaborativo di ricerca e sviluppo creato all interno della IEA che riguarda progetti nell ambito delle applicazioni per la produzione di elettricità attraverso la tecnologia fotovoltaica. 07/10/2010 2

3 Fig. 1. Distribuzione del PR rispetto al numero degli impianti monitorati. Fig. 2. Andamento del PR in funzione dell anno di costruzione dell impianto. Fig. 3. PR dei 15 impianti più grandi presenti nel IEA PVPS Database. Dalla pubblicazione [5] si può ricavare che per un impianto di grandi dimensioni, il PR misurato nel 2007 relativamente a un sistema fotovoltaico grid connected localizzato sull isola di Creta con una potenza di picco di 172kWp, con pannelli al silicio policristallino, e in funzione dal 2002 è compreso tra il 58 e il 73% con un valore annuo pari a circa il 67%. Il lavoro [6] si riferisce invece al monitoraggio biennale (da agosto 2003 a luglio 2005) di un impianto da 5kWp in silicio amorfo. In tal caso il PR varia tra 0,59 e 0,83 con un valore annuo pari a 74% nel primo anno e 71% nel secondo anno. Infine, alcuni dati significativi: gli studi attuali per il calcolo del ciclo di vita dei moduli FV considerano un PR di 0,75 per impianti su falda e 0,8 per impianti a terra [7] e [8]; 07/10/2010 3

4 i bandi per finanziamenti pubblici fissano un valore minimo per il PR di 0,75; uno dei più diffusi programmi [9] per la stima della produzione di energia da impianto fotovoltaico utilizza come PR presunto il valore di 0,77. Dall analisi dei dati sopra riportati considerando le installazioni più recenti, i valori tipici di PR per grandi impianti ben monitorati e manutenuti sono compresi nell intervallo 0,75 0,82, considerando PR>80% ottimi. 3. VALORI DI ENERGIA RICAVATI DA PVGIS CON RIFERIMENTO A TUSCANIA Allo scopo di validare i valori della radiazione solare annuale misurati sul piano orizzontale e sul un piano parallelo all asse dei moduli nel sito di Tuscania essi verranno confrontati con i valori forniti dal software PVGIS [10] messo a disposizione dal Joint Research Centre della Commissione Europea. Il software in questione utilizza come dati di ingresso per il calcolo della radiazione solare principalmente quelli disponibili nell atlante europeo della radiazione solare ATLAS, il cui database è stato sviluppato dall elaborazione dei dati rilevati da molteplici stazioni meteorologiche sparse sul territorio europeo durante l intero periodo di tempo compreso tra il 1981 e il In particolare i dati osservati nel periodo di tempo suddetto sono stati mediati al fine di ottenere la radiazione globale media su di un piano orizzontale e interpolati nello spazio per ottenere della mappe isoradioattive che caratterizzassero l intero territorio europeo. Al fine della valutazione della radiazione diffusa è stato sviluppato un algoritmo di calcolo basato su alcune formule empiriche mentre a riguardo della radiazione diretta si è proceduto ad effettuare la differenza della radiazione globale e della radiazione diffusa. Allo scopo di determinare la radiazione solare su piani diversamente inclinati si è reso necessario implementare modelli matematici opportunamente validati con dati europei che, a partire dai valori di radiazione su di un piano orizzontale, hanno reso possibile la valutazione della grandezza in questione. La radiazione solare media giornaliera Hd e la radiazione media mensile Hm fornite dal software PVGIS a riguardo di un impianto installato in Tuscania vengono riportate in Fig. 4. Fig. 4. Radiazione solare media giornaliera Hd e Radiazione media mensile Hm sul piano orizzontale e sul piano dei moduli in Tuscania. 07/10/2010 4

5 In particolare la prima tabella prende in considerazione un impianto fotovoltaico installato a terra e il cui asse dei moduli è perfettamente parallelo al terreno stesso. In questo caso la radiazione fornita coincide con la radiazione disponibile su un piano orizzontale alla latitudine del sito in questione. La seconda tabella considera invece un impianto con caratteristiche identiche al precedente ma dotato di un sistema di inseguimento solare con caratteristiche analoghe a quello realizzato dalla società Convert, ovvero un sistema di tracking monoassiale che permette alle stringhe di moduli installati in direzione nordsud di seguire il movimento del sole nel suo spostamento da oriente verso occidente. Si riportano infine i valori della radiazione solare calcolati con PVGIS con riferimento ad un inclinazione dei moduli di 30, che corrisponde all inclinazione ottima per un impianto in Tuscania, sempre con riferimento ad un impianto situato in Tuscania (vedi Fig. 5). Fig. 5. Radiazione solare media giornaliera Hd e Radiazione media mensile Hm con un tilt di 30 in Tuscania. Si nota come la radiazione solare effettivamente captabile con tilt pari a 30, di valore pari a 1690 kwh/m 2, sia superiore rispetto a quella ottenuta con i moduli montati su di un piano orizzontale, a dimostrazione del fatto che alle latitudini in questione sia vantaggioso inclinare i moduli rispetto al terreno. Un altro utili riferimento per valutare le performance dell inseguitore è poi indicato in [11]. In particolare, un sistema del tipo implementato da Convert, in Tuscania presenta una produzione di energia del 15 20% superiore rispetto a quella di un sistema fisso con moduli inclinati con tilt ottimo (Fig. 6). 07/10/2010 5

6 Fig. 6. Incremento di produzione energetica con sistema a inseguimento a singolo asse con tilt 0 (fonte [10]). 4. VALIDAZIONE DEI DATI RELATIVI ALLA RADIAZIONE MISURATI Il valore della radiazione solare annuale su di un piano orizzontale effettivamente misurata nell impianto fotovoltaico situato in Tuscania è stato di 1528 kwh/m 2. Si osserva che il valore di 1470 kwh/m 2 fornito dal software PVGIS si discosta dalla misurazione effettuata solamente del 4%. La radiazione solare calcolata con PVGIS implementando un impianto dotato di un sistema di inseguimento monoassiale da est verso ovest e con moduli paralleli al terreno montati in direzione nord sud è stata di 1990 kwh/m 2. La grandezza effettivamente riscontrata a seguito delle misurazioni è stata quantificata in 1975 kwh/m 2, mostrando uno scarto rispetto al database preso come riferimento di solamente lo 0.74%. 5. CALCOLO DEL PERFORMANCE RATIO PR E DEL FATTORE DI TRASPOSIZIONE TF 5.1 Calcolo del Performance Ratio Nel seguito vengono riportati i valori di PR calcolati a partire dai dati misurati sul sito con riferimento ai 9 diversi campi. In particolare vengono diagrammati, per ogni mese, i PR di ogni giorno e riportati in tabella il PR mensile e il valore minimo e massimo giornalieri raggiunto da ciascun campo durante il mese analizzato. Con riferimento all anno considerato vengono diagrammati i valori di PR mensili e riportati in tabella il PR annuale e il valore minimo e massimo mensile raggiunto da ciascun campo. A. Performance Ratio Giornaliero e Mensile ottenuto per i diversi campi 07/10/2010 6

7 PR minimo PR massimo PR Giugno 09 Campo 1 0,6840 0,8563 0,8126 Campo2 0,6815 0,8537 0,8110 Campo 3 0,6892 0,8514 0,8022 Campo 4 0,7047 0,8609 0,8170 Campo 5 0,6944 0,8686 0,8175 Campo 6 0,6944 0,8718 0,8278 Campo 7 0,6711 0,8600 0,8233 Campo 8 0,6763 0,8585 0,8308 Campo 9 0,0992 0,8483 0,7435 PR minimo PR massimo PR Luglio 09 Campo 1 0,7524 0,8379 0,7843 Campo2 0,7469 0,8366 0,7890 Campo 3 0,7534 0,8392 0,7846 Campo 4 0,7637 0,8464 0,7965 Campo 5 0,7637 0,8477 0,8017 Campo 6 0,7606 0,8531 0,8084 Campo 7 0,7637 0,8436 0,8054 Campo 8 0,7637 0,8527 0,8187 Campo 9 0,0955 0,8441 0, /10/2010 7

8 PR minimo PR massimo PR Agosto 09 Campo 1 0,7361 0,8512 0,7739 Campo2 0,7295 0,8512 0,7816 Campo 3 0,7287 0,8516 0,7740 Campo 4 0,7543 0,8519 0,7891 Campo 5 0,7635 0,8559 0,7972 Campo 6 0,5150 0,8216 0,7667 Campo 7 0,7721 0,8570 0,8020 Campo 8 0,7535 0,8638 0,8066 Campo 9 0,7463 0,8392 0,7929 PR minimo PR massimo PR Settembre 09 Campo 1 0,6819 0,8543 0,7945 Campo2 0,6835 0,8549 0,8057 Campo 3 0,6696 0,8601 0,7972 Campo 4 0,6850 0,8601 0,8134 Campo 5 0,6927 0,8631 0,8227 Campo 6 0,6922 0,8646 0,8045 Campo 7 0,6943 0,8534 0,8233 Campo 8 0,7020 0,8561 0,8247 Campo 9 0,5847 0,8614 0, /10/2010 8

9 PR minimo PR massimo PR Ottobre 09 Campo 1 0,8042 0,8830 0,8434 Campo2 0,8131 0,8882 0,8466 Campo 3 0,8151 0,8975 0,8520 Campo 4 0,8127 0,8922 0,8479 Campo 5 0,8220 0,8961 0,8531 Campo 6 0,7429 0,9032 0,8592 Campo 7 0,7714 0,8961 0,8432 Campo 8 0,8091 0,8993 0,8542 Campo 9 0,7849 0,8938 0,8467 PR minimo PR massimo PR Novembre 09 Campo 1 0,5496 0,8524 0,8202 Campo2 0,5454 0,8562 0,8246 Campo 3 0,5665 0,8687 0,8363 Campo 4 0,5158 0,8645 0,8340 Campo 5 0,5412 0,8655 0,8343 Campo 6 0,6088 0,8696 0,8383 Campo 7 0,5454 0,8618 0,8291 Campo 8 0,5031 0,8652 0,7833 Campo 9 0,4186 0,8540 0, /10/2010 9

10 PR minimo PR massimo Pr Dicembre 09 Campo 1 0,0817 0,8404 0,7944 Campo2 0,1226 0,8636 0,8079 Campo 3 0,0920 0,8814 0,8204 Campo 4 0,1022 0,8720 0,8162 Campo 5 0,0817 0,8761 0,8190 Campo 6 0,1737 0,8761 0,8248 Campo 7 0,1533 0,8761 0,8146 Campo 8 0,0817 0,8814 0,8182 Campo 9 0,0603 0,8547 0,7669 PR minimo PR massimo PR Gennaio 10 Campo 1 0,2237 0,8792 0,8259 Campo2 0,2572 0,8878 0,8333 Campo 3 0,2461 0,9016 0,8242 Campo 4 0,2461 0,9170 0,8179 Campo 5 0,2460 0,9135 0,8492 Campo 6 0,2796 0,9033 0,8551 Campo 7 0,2796 0,9204 0,8518 Campo 8 0,2349 0,8984 0,8494 Campo 9 0,1580 0,8571 0, /10/

11 PR minimo PR massimo PR Febbraio 10 Campo 1 0,2262 0,8910 0,8480 Campo2 0,2417 0,8902 0,8500 Campo 3 0,2802 0,9059 0,8637 Campo 4 0,2582 0,9038 0,8638 Campo 5 0,2527 0,9096 0,8664 Campo 6 0,3461 0,9126 0,8205 Campo 7 0,2528 0,9092 0,7820 Campo 8 0,1730 0,9034 0,8593 Campo 9 0,1168 0,8843 0,8327 PR minimo PR massimo PR Marzo 10 Campo 1 0,5114 0,9187 0,8538 Campo2 0,5183 0,9166 0,8540 Campo 3 0,5458 0,9287 0,8646 Campo 4 0,5217 0,9306 0,8678 Campo 5 0,5458 0,9327 0,8688 Campo 6 0,5297 0,9352 0,7610 Campo 7 0,5458 0,9265 0,8640 Campo 8 0,5286 0,9303 0,8683 Campo 9 0,1065 0,9350 0, /10/

12 PR minimo PR massimo PR Aprile 10 Campo 1 0,2839 0,8983 0,8452 Campo2 0,2726 0,8923 0,8453 Campo 3 0,3066 0,8940 0,8481 Campo 4 0,2953 0,9059 0,8551 Campo 5 0,1611 0,9469 0,7494 Campo 6 0,3010 0,9081 0,8072 Campo 7 0,1590 0,9027 0,8554 Campo 8 0,2385 0,9163 0,8643 Campo 9 0,2172 0,8825 0,8384 PR minimo PR massimo PR Maggio 10 Campo 1 0,6969 0,8927 0,8483 Campo2 0,6850 0,8927 0,8474 Campo 3 0,7036 0,8943 0,8466 Campo 4 0,7019 0,9051 0,8601 Campo 5 0,1281 0,9051 0,7674 Campo 6 0,7019 0,9133 0,8648 Campo 7 0,2136 0,8761 0,7445 Campo 8 0,7036 0,9141 0,8638 Campo 9 0,2843 0,9025 0, /10/

13 B. Performance Ratio Annuale ottenuto per i diversi campi PR mensile minimo PR mensile massimo PR Giugno 2009 Maggio 2010 Campo 1 0,7739 0, Campo 2 0,7816 0, Campo 3 0,7740 0, Campo 4 0,7891 0, Campo 5 0,7494 0, Campo 6 0,7610 0, Campo 7 0,7445 0, Campo 8 0,7833 0, Campo 9 0,7435 0, Il calcolo del PR effettuato con riferimento all impianto di Tuscania, in servizio da poco più di due anni, consente di effettuare le seguenti considerazioni. Per quanto riguarda il performance ratio annuale misurato è sempre superiore al 81% per i Campi dal numero 1 al numero 8; Il performance ratio con riferimento al Campo 9 (campo di grandi dimensioni con inverter centralizzato) è il più basso di tutti pur avvicinandosi al valore dell 80%. Questo è imputabile alla distanza del contatore di energia rispetto agli inverter che è molto maggiore rispetto agli altri campi. In ogni caso l impianto oggetto di studio è un impianto con caratteristiche molto buone, sia dal punto di vista dei materiali utilizzati sia da quello della progettazione. 5.2 Calcolo del Fattore di Trasposizione Nel seguito vengono riportati i valori di TF calcolati a partire dai dati misurati nell impianto di Tuscania In particolare vengono diagrammati i TF di ogni giorno e quelli mensili. e riportati in tabella il PR mensile e il valore minimo e massimo giornalieri raggiunto da ciascun campo durante il mese analizzato. Con riferimento all anno considerato vengono diagrammati i valori di PR mensili. 07/10/

14 Il TF riferito a un anno, calcolato a partire dal mese di Giugno 2009 a Maggio 2010, è pari a 1,2921. Tale valore, considerando la configurazione geometrica implementata a Tuscania (fattore di occupazione pari a 0,4) consente di affermare che il sistema di inseguimento è estremamente efficace. In conclusione si nota come il sistema di inseguimento installato permetta di incrementare notevolmente la radiazione solare captabile nel sito in questione. È utile confrontare la radiazione su di un piano inclinato di 30 con quella effettivamente captata dall impianto situato in Tuscania dotato di inseguitore monoassiale, al fine di valutare la maggiore quantità di energia captabile rispetto ad un inclinazione ottimale dei moduli. Infatti, il fattore di trasposizione TF identifica la maggiore quantità di radiazione captabile da un impianto dotato di inseguitore rispetto a quella captabile da un impianto montato su di un piano orizzontale, ma il vero vantaggio dovuto all installazione di un inseguitore è quantificabile solo confrontando l energia captata con quella disponibile in un impianto montato con un inclinazione ottimale in riferimento alla latitudine del luogo in questione. Tale confronto porta alla conclusione che l impianto con inseguitore monoassiale permette di incrementare la radiazione captabile del 17% rispetto ad un impianto i cui moduli sono montati con inclinazione di 30 07/10/

15 (inclinazione ottimale per il comune di Tuscania). Tale valore trova completamente riscontro con i risultati riportati in [11]. 6. CONCLUSIONI Il calcolo del performance ratio effettuato con riferimento all impianto di Tuscania, in servizio da poco più di due anni, conduce a un PR annuale misurato di circa 81%, il che significa che l impianto oggetto di studio è un ottimo impianto, sia dal punto di vista dei materiali utilizzati sia da quello della progettazione. È importante sottolineare che l anno qui monitorato è il secondo anno di vista dell impianto e che statisticamente si considera che le prestazioni di un impianto FV scendono, in termini di PR, di circa l 1% annuo. Il valore del fattore di trasposizione con riferimento a 12 mesi e alla configurazione geometrica implementata a Tuscania (fattore di occupazione pari a 0,4) è di 1,291, ciò che indica che il sistema di inseguimento è estremamente efficace. Infine, una stima della maggiore quantità di energia captabile rispetto ad un inclinazione ottimale dei moduli, fatta confrontando il valore di radiazione misurato sul piano dei moduli e quello stimato attraverso PVGIS con angolo di tilt a 30, si può affermare che l impianto con inseguitore monoassiale permette di incrementare la radiazione captabile del 17% rispetto ad un impianto i cui moduli sono montati con inclinazione di 30. Riferimenti Bibliografici [1] CEI EN 61724, Rilievo delle prestazioni dei sistemi fotovoltaici. Linee guida per la misura, lo scambio e l analisi dei dati, [2] IEA PVPS Task II, pvps.org/. [3] T. Nordmann, L. Clavadetscher, U. Jahn, PV system performance and cost analysis, Proc. 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 3 7 September 2007, Milano, Italy. [4] Performance Ratio for the 15 largest PV systems in the IEA PVPS Database (21 Aug, 2007) [5] E. Kymakis, S. Kalykakis, T. M. Papazoglou, Performance analysis of a grid connected photovoltaic park on the island of Crete, Energy Conversion and Management, Vol. 50, 2009, pp [6] Napat Watjanatepin, TWO YEARS PERFORMANCE OF A 5 KWP AMORPHOUS SILICON GPV SYSTEM [7] W.M. Fthenakis, E. Anselma, Photovoltaics Energy Payback times, Grenhaouse Gas Emissions and External Costs: 2004 early 2005 Status, Progress in Photovoltaics: research and applications, vol.14, 2006, pp [8] W.M. Fthenakis, H. C. Kim, E. Anselma, Emission from Photovoltaic life cycles, Environmental Science & Technology, Vol. 42, n.6, 2008, pp [9] [10] 07/10/

16 [11] T. Huld, M. Šúri, T. Cebecauer, E. D. Dunlop, Comparison of electricity yield from fixed and sun tracking PV systems in Europe, European Communities, 2008, 07/10/

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