STAGE TECNICO SU SISTEMI FOTOVOLTAICI - EOLICI E IBRIDI AD ALTA INTEGRAZIONE

Transcript

1 FOTOVOLTAICO STAGE TECNICO SU SISTEMI FOTOVOLTAICI - EOLICI E IBRIDI AD ALTA INTEGRAZIONE Relatore : Maurizio Battistella

2 SISTEMI HIHS

3 FOTOVOLTAICO IL SISTEMA FOTOVOLTAICO

4 COMPOSIZIONE DI UN IMPIANTO FV STAND ALONE

5 FOTOVOLTAICO CONDIZIONI CHE RENDONO INDISPENSABILE UN IMPIANTO FV S.A. - Quando non esiste la rete elettrica ( 1km di linea = Euro) - Quando pesanti interruzioni di rete creano problemi - Quando il costo di esercizio di un GENSET è alto (quasi sempre) - Quando si deve essere esenti da manutenzione - Quando si deve contenere il carico ambientale - Quando le condizioni geografiche e morfologiche del sito lo permettono

6 FOTOVOLTAICO GENERATORE ELETTROGENO VS IMPIANTO FV STAND ALONE : 2,5kW

7 FOTOVOLTAICO GENERATORE ELETTROGENO VS IMPIANTO FV STAND ALONE : 2,5kW Composizione Impianto FV: - 2,5kWp moduli fotovoltaici completi di strutture, fissaggi e junction boxes - 15kWh batterie stazionarie - 3kW Inverter - Sistema di controllo carica batteria e gestione impianto Composizione Impianto DGS: - 3kVA generatore elettrogeno - 3kWh batterie (notte) - 1kW Inverter - Sistema di controllo carica batteria e gestione impianto

8 EURO , ,00 costo progressivo DGS , ,00 FV - costo intervento manutenzione costo progressivo 250,00 FV Euro FOTOVOLTAICO GENERATORE ELETTROGENO VS IMPIANTO FV STAND ALONE : 2,5kW Year DGS PV system , ,00 costo TURN KEY , , , ,00 FV - manutenzione sistema 1,00 interv./anno , ,00 DGS manut. completa 50000,00 ore , ,00 DGS - cambio filtri ogni 1000,00 ore , ,00 gestione DGS - costo per cambio filtri 500,00 Euro , ,00 DGS - costo manutenzione completa 1500,00 Euro , ,00 DGS - consumo carburante 0,20 l/kwh , ,00 DGS - kw impiegati medi 1,50 kw , ,00 DGS - funzionamento giorno 12,00 ore , ,00 DGS -costo carburante + trasp. e stocc. 1,70 Euro , , , ,00 funzionamento anno DGS 4380,00 h/anno kwh prodotti anno DGS 5475,00 kwh/anno Consumi totali DGS 1095,00 l/anno gasolio Costo totale gasolio anno DGS 1861,50 Euro/anno n. interventi anno cambio filtri DGS 4,38 interventi 2190,00 Euro/anno n. interventi anno manutenz. Completa DGS 0,09 interventi 131,40 Euro anno costo totale manutenzione + carburante generatore elettrogeno / anno DGS 4182,90 Euro/anno Anni costo totale manutenzione + carburante generatore fotovoltaico / anno DGS 250,00 Euro/anno

9 FOTOVOLTAICO GENERATORE ELETTROGENO VS IMPIANTO FV STAND ALONE : 2,5kW Sistema Fotovoltaico EURO Vs Generatore elettrogeno diesel automatico + caricabatterie e batteria costo progressivo DGS costo progressivo FV costo progressivo DGS costo progressivo FV EURO Anni Anni

10 CONSIDERAZIONI FOTOVOLTAICO A questo punto possiamo affermare che : - Il sistema Fotovoltaico è meno conveniente all atto atto dell acquisto ma risulta molto meno costoso nell esercizio esercizio e manuntenzione di un sistema a Generatore Diesel. - Nel caso di impianto in zone difficilmente raggiungibili il FV è più sicuro rispetto al DGS in quanto non abbisogna di carburante e non n vi sono organi meccanici in movimento. - Il sistema FV risulta inoltre meno impattante (sia dal punto di vista rumoroso che per le emissioni evitate) di un DGS (olii( esausti, fumi, perdite carburante, etc.)

11 CONSIDERAZIONI FOTOVOLTAICO TUTTO CIO E REALE SE SI TIENE PERO CONTO DI DUE REGOLE FONDAMENTALI: - Il sistema Fotovoltaico DEVE ESSERE CORRETTAMENTE DIMENSIONATO IN FUNZIONE ALLE ESIGENZE DEI CARICHI ELETTRICI INSTALLATI E OPPORTUNAMENTE VALUTATI CON BILANCIO ENERGETICO GIORNALIERO - Il sistema Fotovoltaico DEVE ESSERE CORRETTAMENTE DIMENSIONATO IN FUNZIONE ALLE CARATTERISTICHE DI RADIAZIONE SOLARE DEL SITO

12 FOTOVOLTAICO COMPOSIZIONE DI UN SISTEMA FOTOVOLTAICO STAND ALONE

13 TIPOLOGIA DI MODULO FOTOVOLTAICO FOTOVOLTAICO Silicio CRISTALLINO: mono - poli Silicio AMORFO FILM sottile (Diseleniuro( di Indio e Rame - Tellururo di Cadmio - Arseniuro di Gallio) Triple JUNCTION Etc.

14 STRUTTURE FISSAGGIO FOTOVOLTAICO Realizzate normalmente in acciaio zincato a caldo e bulloneria INOX le strutture di supporto servono a fissare i moduli fotovoltaici. Possono essere: a a terra a a tetto a a testa palo tipo Africa ( ) tipo Europa ( ) fisse o ad inseguimento X/Y Inoltre possono anche essere realizzate custom su specifiche del committente.

15 COMPARAZIONE TRA TIPOLOGIE DI STRUTTURE : FISSE e TRACKER FOTOVOLTAICO

16 STRUTTURE FISSAGGIO FOTOVOLTAICO Un punto importante è il calcolo dell ombreggiamento tra le varie file di moduli fotovoltaici (specialmente su impianti con strutture a terra). Angolo tilt 55 Lunghezza modulo fv 1,23 metri Latitudine 40 La formula per il calcolo dell angolo solare è la seguente: ANG= Latitudine ANGOLO SOLARE 16,50 MISURA DI INTERSPAZIATURA TRA FILE INTERVALLO TRA FILE 4,11 metri 3,10 metri Per quanto invece riguarda il calcolo del TILT moduli: 4,11 m 3,10 m TILT= Latitudine ,5 55 1,01 m

17 SCATOLE DI GIUNZIONE FOTOVOLTAICO Le scatole di giunzione ( o Junction Boxes) servono a collegare i moduli fotovoltaici in stringhe e paralleli della dimensione voluta dal progetto. Esse facilitano di molto l installazione l del sistema fotovoltaico ed inoltre possono essere equipaggiate con sistemi di protezione quali: - scaricatori di sovratensione tipo VM-Dehn - scaricatori a GAS, - VDR - magnetotermici o fusibili Le scatole di giunzione DEVONO essere dimensionate in funzione della d corrente di ingresso del regolatore. Ad esempio alcuni regolatori hanno uno u o più ingressi con max 30A di corrente (12-24Vdc 24Vdc batteria), quindi è possibile parallellare fino a 6 stringhe da 5A cadauna (modulo FV da 185W).

18 SCATOLE DI GIUNZIONE FOTOVOLTAICO Il diodo di blocco previsto nella JB serve ad impedire che, di notte, la batteria si scarichi sui moduli FV. Inoltre serve anche ad impedire passaggio di corrente tra le varie stringhe non equalizzate.. Si usa un diodo SCHOTTKY per avere una minor caduta : V.

19 IN GENERALE FOTOVOLTAICO E bene ricordarsi che un punto importante della progettazione del d sistema fotovoltaico,, e quindi della configurazione del campo fotovoltaico con moduli e junction boxes, è la TENSIONE DI BATTERIA Infatti una bassa tensione di esercizio comporta correnti elevate e che implicano una maggiore sezione dei cavi e organi di manovra più costosi, viceversa elevate tensioni implicano l uso l di costose protezioni fuori standard. Normalmente il nostro ufficio tecnico,, ove possibile, utilizza la seguente tabellina: da 50 a 500Wp 12Vdc da 500 a 1000Wp 24Vdc da 1kWp a 5kWp 48Vdc oltre i 5kWp 110 oppure 220Vdc

20 LA BATTERIA FOTOVOLTAICO Avviamento Trazione Stazionarie a piastre tubolari Vaso aperto Ermetiche NI-CD

21 LA BATTERIA FOTOVOLTAICO Nei sistemi stand-alone la batteria serve ad immagazzinare l energia prodotta dal campo fotovoltaico per poi cederla quando serve ai carichi elettrici. La capacità della batteria è la quantità di energia elettrica che può essere ottenuta scaricando la batteria ad un determinato regime di corrente, fino ad una tensione prestabilita, in n /ore. Esempio: se una batteria ha una capacità pari a 200Ah/C10 significa che può erogare 20A continui per 10 ore e poi è da ritenersi scarica. La capacità di una batteria può essere quindi espressa in : C5 (5h) - C10 (10h) - C20 (20h) e C100. IMPORTANTE DA CONSIDERARE: una batteria da 200Ah/C10 ha il 20% di capacità in più di una analoga batteria da 200Ah/C100.

22 LA BATTERIA FOTOVOLTAICO CARATTERISTICA STAZIONARIA V.A. STAZIONARIA GEL NI-CD Tensione nominale 2V/el 2Vel 1.2V/el Tensione carica fondo 2.45V/el 2.4V/el 1.55V/el Possibilità di equalizzazione Si - 2,7V/el no Si 1,7V/el Tensione minima 1,8V/el 1,8V/el 1V/el Regime def. capacità C10 C10 C5 Manutenzione 1 rabbocco / anno nessuna 2-3 rabb/anno + cambio Tipo di carica V costante 1 valore V costante 1 valore elettrolita V o I costante 2 valori: mant. e rapida Rendimento in Ah 90% 90% 72% Effetto memoria no no Si Capacità max disponibile 4000Ah/C Ah/C /C5 Range temperature -10 C / +55 C -10 C / +55 C -20 C / +45 C Vita stimata 15 anni 10 anni 20 anni Criticità Nessuna Temperatura max in i carica Costo, manutenzione e sistema carica particolare Per tutto ciò e per la nostra esperienza di 25 anni di installazioni ioni in tutto il mondo ci sentiamo di preferire la batteria stazionaria a vaso aperto con piastre positive tubolari.

23 LA BATTERIA FOTOVOLTAICO IMPORTANTE PER L INSTALLAZIONE: Nelle norme CEI 21-6 sono fissate tutte le prescrizioni per la corretta installazione degli accumulatori.

24 LA BATTERIA FOTOVOLTAICO La bacinella INOX AISI316 e i tappi sfiato risolvono parecchi problemi riguardanti le prescrizioni CEI 21-6

25 LA BATTERIA FOTOVOLTAICO I tappi sfiato raccolgono e portano all esterno i vapori emessi durante le fasi di carica e scarica degli accumulatori e durante il funzionamento del d sistema di antistratificazione elettrolita. Grazie al sistema di antistratificazione dell elettrolita elettrolita si allunga la vita delle batterie di più del 20% e si riduce il fattore di carica da 120 a 105%.

26 LA BATTERIA FOTOVOLTAICO Il sistema di antistratificazione dell elettrolita elettrolita usa l aria l compressa come agente rimescolante, semplificando quindi l operazione. l

27 IL REGOLATORE FOTOVOLTAICO Il regolatore è l unità elettronica che gestisce la carica e la scarica della batteria e l energia l consumata dal carico elettrico. Può essere integrato con sistemi di allarme, di gestione Genset,, comando remoto, acquisizione dati e particolari protezioni elettriche. E indiscutibilmente il cuore del sistema.

28 IL REGOLATORE FOTOVOLTAICO

29 IL REGOLATORE FOTOVOLTAICO a/b: completa connessione o sconnessione del FV dalla batteria quando la tensione di quest ultima ultima oltrepassa soglie prestabilite. Il FV può essere lasciato aperto (a) oppure in cortocircuito (shunt -b). c: parziale connessione e sconnessione dei vari sottocampi FV a raggiunti limiti di tensione batteria. Rispetto al precedente sistema abbiamo un aumento del rendimento di carica con soglie differenziate (max - float - tampone) d: attraverso un dispositivo MPPT (max power point tracker) ) si è in grado di far lavorare il FV sempre sul proprio punto di max pw,, anche a variazione di C C e rad solare. e: accoppiamento diretto tra FV e batteria, sfrutta la capacità autoregolante del sistema. Conveniente a C C e I costante.

30 IL REGOLATORE FOTOVOLTAICO La scelta del sistema di controllo più adatto va fatta considerando i seguenti punti: - tensione nominale; - elevata efficienza (tipo PWM o a più stadi); - tipo di protezioni (magnetot( magnetot. - fusibili - VM - Gas - Vdr, etc.); - tipo di optionals (sonda temp., allarmi, remoto, RS232, etc.); - tipo di visualizzazione funzionamento (led( led, multimetro LCD, etc); - grado di protezione armadio (IP55 - IP65); - facilità di installazione - basso costo - scarsa manutenzione

31 L INVERTER FOTOVOLTAICO Sono apparati che servono a trasformare la corrente continua della batteria in corrente alternata dalle caratteristiche volute. DESCRIZIONE U.M. Modello inverter -- Potenza nominale Range V input Tensione di uscita Frequenza di lavoro Forma d'onda - KVA Vdc Vca Hz Distorsione su carico lin.. % Sovraccarico per 3 sec % Rendimento a carico max % Strumentazione -- Comando a distanza -- Partenza automatica W Raffreddamento -- Contenitore IP Ventilazione -- Livello rumore db

32 L INVERTER FOTOVOLTAICO

33 I CARICHI ELETTRICI IN DC FOTOVOLTAICO Nel caso di imianti fotovoltaici di piccola potenza (es: piccole baite montane) esiste la possibilità di comprendere utenze elettriche come: lampade, frigoriferi e freezer, pompe autoclavi, etc, che ci permettono di evitare l uso dell inverter.

34 FOTOVOLTAICO DIMENSIONAMENTO DI UN SISTEMA FOTOVOLTAICO STAND ALONE

35 COMPOSIZIONE DI UN IMPIANTO FV STAND ALONE

36 DIMENSIONAMENTO SISTEMA FOTOVOLTAICO FOTOVOLTAICO Se non si possiede un SW di calcolo (es( es: : PVCAD PVSYST, etc) ) si può semplicemente procedere con un calcolo manuale molto semplice ma altrettanto efficace: Ap campo fv = Load Wh g : Vbatteria : Radiazione solare minima Es: : 1300Wh/gg : 24V : 2,5kWh/m²/gg = 21.6Ap corrente del mio FV Al valore di 21.6A è buona norma sommare un 10% per perdite e rendimenti vari, per cui la corrente di picco del mio FV dvrà essere di 24. NOTA BENE: è importante pensare ad una Vbatt che mi permetta di gestire in modo semplice le stringhe dei moduli FV e che mi permetta etta buoni rendimenti elettrici sia nei carichi a Vbatt che nell inverter inverter.

37 DIMENSIONAMENTO SISTEMA FOTOVOLTAICO FOTOVOLTAICO Partendo dalla corrente di campo di 24A si calcola il numero di stringhe a 24Vdc : Considerando un moduli FV da 4,7A n. Stringhe = 24Ap : 4,7A = 5,1 Se considereremo moduli a 72 celle ogni stringa sarà composta da un solo modulo FV, con 5 stringhe in parallelo Se invece considereremo moduli a 36 celle ogni stringa sarà composta da 2 moduli FV in serie e il numero di paralleli sarà la metà (in questo caso 2,5... si dovrà riconsiderare la potenza dei moduli per arrivare ad un numero di stringhe che sia realizzabile)

38 DIMENSIONAMENTO SISTEMA FOTOVOLTAICO FOTOVOLTAICO Considerando quindi i 5 moduli FV da 185W a 72 celle dovrò prevedere una scatola di giunzione adatta (JB5) per il collegamento in parallelo allelo delle stringhe. Una particolare attenzione dovrà essere posta anche al calcolo e alla realizzazione della struttura di fissaggio dei moduli FV che potranno essere localizzati a terra, sul tetto dell edificio edificio o in altre parti della struttura. Il sistema di controllo di carica e scarica della batteria REGOLATORE dovrà essere scelto con cura tra quelli presenti sul mercato in modo da garantire le giuste caratteristiche di: - Corrente max dai moduli FV (sovradimensionare per temperatura) - Tensione di batteria - Corrente max uscita carichi (se sistema in Vdc) - Tipologia di segnalazioni e allarmi

39 DIMENSIONAMENTO SISTEMA FOTOVOLTAICO FOTOVOLTAICO La batteria è un elemento importante del sistema e come tale deve essere calcolata con cura: - Il tipo deve essere scelto tra quelli in commercio e secondo il budget previsto dal cliente, il migliore è l elemento a piastre tubolari ad acido libero. - La capacitò in Ah/C10 definisce quanta corrente può essere stoccata cata per periodi di mancanza di sole (notte, brutto tempo). Normalmente si calcola per 5 giorni in no-sun conditions. - Non può essere scaricata oltre l 80%, l pena il decadimento veloce della propria vita. Capacità batteria = ((Load Wh g : Vbat)+20%) x giorni no-sun Ah/C10 = ((1300Wh : 24V)+20%) x 5 = 325Ah Cercando sulle schede tecniche dei costruttori si sceglierà l elemento più vicino alle caratteristiche calcolate (350 o 400 Ah/c10)

40 EOLICO L ENERGIA EOLICA : IL VENTO

41 IL VENTO EOLICO Per Vento viene definita una massa d aria d in movimento tra due punti terrestri con differenti valori di pressione atmosferica.

42 IL VENTO EOLICO DATI SULLA CONDIZIONE EOLICA DEL SITO Acquisizione diretta mediante centraline meteorologiche sul sito per almeno 1 anno; Calcolo mediante elaborazione dei dati e delle immagini fornite da satelliti meteo (ATLANTE CESI) ; Software Meteonorm RETScreen - NASA La visualizzazione può avvenire mediante MAPPE EOLICHE o mediante TABULATI delle varie velocità e delle medie mensili e annuali.

43 L ATLANTE EOLICO DEL CESI EOLICO

44 EOLICO ALTRE PUBBLICAZIONI

45 COMPOSIZIONE DI UN SISTEMA EOLICO EOLICO

46 COMPOSIZIONE DI UN GENERATORE EOLICO ASSE ORIZZONTALE EOLICO ROTORE: composto da mozzo e pale. MOLTIPLICATORE DI GIRI: per adattare la velocità bassa delle pale al generatore. GENERATORE: trasforma l energia meccanica in elettrica. CONTROLLO: per la gestione del sistema. FRENI: meccanici e aerodinamici. NAVICELLA: funge da contenitore per i componenti meccanici ed elettronici del sistema. TORRE E FONDAMENTA: importanti per la stabilità del generatore

47 COMPOSIZIONE DI UN GENERATORE EOLICO ASSE ORIZZONTALE Le tipologie di Generatore eolico sono svariate,, ma si dividono sostanzialmente in 2 categorie: : ad asse ORIZZONTALE e ad asse VERTICALE. EOLICO

48 GENERATORI EOLICI HAWT e VAWT EOLICO Le principali tipologie standard di Generatore eolico si dividono o in: Orizzontale ad Elica (Mulino), Savonius, Darrieus (H, DELTA, DIAMOND, Y, PHI ). Tutti i generatori però sono composti da elementi analoghi anche se di forma f diversa:

49 CONFRONTO TRA TECNOLOGIA HAWT e VAWT EOLICO ASSE ORIZZONTALE Taglie di potenza fino a 1000kW e oltre; Partono con minimo 3-4 m/sec di velocità del vento; Hanno bisogno di controlli meccanici o elettronici della velocità; Superato il limite di velocità massima vengono messi in stallo per evitare rotture meccaniche e quindi non producono energia; Sono impattanti dal punto di vista acustico; Possono creare danni ai volatili visto che le pale girando ad alte velocità diventano poco visibili (effetto ghigliottina); Sono meccanicamente inadatti a zone con caratteristiche meteo limite: siti montani superiori ai 2000m.s.l.m., deserti sabbiosi, etc; Hanno costi che variano mediamente da 2500 a 4000 /Kwp; Sono molto diffusi essendo la tipologia standard che viene intesa quando si parla di eolico (mulini a vento). ASSE VERTICALE Difficilmente si superano i 50kW di potenza; Partono con venti a 2 3 m/sec di velocità e a 4m/sec già producono energia; Non hanno bisogno di controllo della velocità che è intrinseco nel tipo di turbina; Producono energia anche a velocità di vento superiori a quella definita massima; Non producono alcun rumore, le pale seguono la direzione del vento e non sono opposte ad esso; Grazie all autolimitazione dei giri della turbina essa è sempre visibile e non apporta nessun danno ai volatili visto che le pale si sviluppano in vericale; Sono particolarmente adatti per siti limite con ghiaccio, raffiche di vento di oltre i 200km/h, tempeste di sabbia, etc. Hanno costi che variano mediamente da 4500 a 8000 /KWp; Sono poco diffusi essendo più costosi e più giovani rispetto al tipo orizzontale.

50 FOTOVOLTAICO DIMENSIONAMENTO DI UN SISTEMA EOLICO STAND ALONE

51 COMPOSIZIONE DI UN SISTEMA EOLICO EOLICO

52 DIMENSIONAMENTO SISTEMA EOLICO EOLICO Anche per il sistema EOLICO è importante definire correttamente: le caratteristiche eoliche del sito il carico elettrico giornaliero la tensione di batteria del sistema la tensione di esercizio delle utenze elettriche il numero di giorni di autonomia no-wind delle batterie la gestione della manutenzione (in casi di siti in posizioni svantaggiate)

53 DIMENSIONAMENTO SISTEMA EOLICO EOLICO CARATTERISTICA ELETTRICA DI UN GEN. EOLICO TIPO WR2 Per il calcolo dell energia energia prodotta è importante, oltre ai dati relativi alla caratteristica eolica di un sito, essere in possesso della curva di funzionamento del generatore eolico che si vuole installare. CARATTERISTICA SISTEMA WR Potenza- W Velocità Vento - m/sec

54 DIMENSIONAMENTO SISTEMA EOLICO EOLICO Vel.Vento Durata Potenza Energia m/sec annua in h Turbina in kw kwh 0 262, ,8 0 CUT IN ,4 0,0025 1, ,01 5, ,2 0,025 18, ,04 28, ,065 45, ,8 0,09 54, ,6 0,115 53, ,4 0,15 46, ,8 0,23 49, ,2 0,35 50, ,6 0,47 35, ,6 0,6 46, ,6 0,75 59, ,6 0,9 72, ,6 1 83, , , ,285 La potenza in kw della turbina eolica deve riguardare la caratteristica elettrica del sistema, non la potenza meccanica all asse asse Energia Totale stimata - kwh/anno 652,72

55 DIMENSIONAMENTO SISTEMA EOLICO EOLICO Per il calcolo e il corretto posizionamento di un generatore eolico si deve fare molta attenzione alle turbolenze provocate da ostacoli prospicenti,, che possono limitare la produzione di energia, proprio come l ombreggiatura l nei moduli fotovoltaici.

56 DIMENSIONAMENTO SISTEMA EOLICO EOLICO Per quanto riguarda poi il calcolo e la scelta degli altri componenti del sistema: regolatore, batterie, inverter e carichi elettrici possiamo procedere come per il sistema FOTOVOLTAICO visto precedentemente. NOTA BENE: è importante considerare che per i sistemi ad isola sono adatte macchine di potenza compresa tra 1 e 50kW: molto più semplici da trasportare sul posto, da installare e manutenere.

57 High Integration Hybrid Systems CASE STUDY SISTEMA IBRIDO: FOTOVOLTAICO-EOLICO EOLICO-OILGS OILGS ELETTRIFICAZIONE DI UN VILLAGGIO DI 500 PERSONE ISOLA DI WETAR - INDONESIA

58 PUNTI FOCALI High Integration Hybrid Systems Sito di installazione: localizzazione, dati su radiazione solare, media C, altitudine, situazione trasporti, situazione eolica etc. Tipo di sistema da ingegnerizzare: monosource - ibrido - HIHS. Carico elettrico: numero, tipo, potenza e ore di funzionamento/giorno dei carichi elettrici da alimentare. Tensione alimentazione carichi: Vdc oppure /3F Vac Giorni no-sun : giorni di autonomia della batteria in condizioni di mancanza di carica da parte del sistema di generazione di energia. Tipo di batteria: stazionaria, trazione, a vaso aperto, ermetica, GEL. Tipo di moduli fotovoltaici: cristallino, amorfo, triple junctions Tipo di generatori ausiliari: eolico (H/V), DGS-VGS, Hydro, etc.. Tipo di strutture moduli FV: a terra, su tetto, testa palo, particolari. Tipo di protezioni impianto: VM Dehn,, GAS, VDR, nessuna. Tipo di Impianto: con neutro a terra, senza riferimenti di terra.

59 High Integration Hybrid Systems

60 CALCOLO BILANCIO ENERGETICO High Integration Hybrid Systems ELECTRICAL LOADS W/each Vpower total n h/day Total Wh/day Fluorescent electronic lamp Vac Refrigerator 294 liters Vac Freezer 300 liters Vac TV colors + SAT Vac Ceiling fan Vac Fascia Alta :: 10 Unità Wash machine 5kg Vac Air conditioner 7000BTU Vac Microwawe Oven Vac TOTAL DAY CONSUMPTION - Wh/day ELECTRICAL LOADS W/each Vpower total n h/day Total Wh/day Fluorescent electronic lamp Refrigerator combi lt Vac 230Vac Fascia Media :: 30 Unità TV colors + SAT Vac Ceiling fan Vac TOTAL DAY CONSUMPTION - Wh/day 2898

61 CALCOLO BILANCIO ENERGETICO High Integration Hybrid Systems ELECTRICAL LOADS W/each Vpower total n h/day Total Wh/day Fluorescent electronic lamp Vac Refrigerator 60 liters Vac Fascia Bassa :: 50 Unità Radio CD player Vac TOTAL DAY CONSUMPTION - Wh/day 1015 ELECTRICAL LOADS Fluorescent electronic lamp W/each 11 Vpower 230Vac total n 3 h/day 3 Total Wh/day 99 Fascia Bassissima :: 100 Unità TOTAL DAY CONSUMPTION - Wh/day 99 ELECTRICAL LOADS W/each Vpower total n h/day Total Wh/day SW1000 water desalinator Water pump V3F 230Vac Produzione ACQUA: 1 Unità TOTAL DAY CONSUMPTION - Wh/day

62 High Integration Hybrid Systems Per la comunità in questione è stata prevista una distribuzione delle varie fasce così composta: n. 100 abitazioni fascia bassissima (solo illuminazione) n. 50 abitazioni fascia bassa n. 50 abitazioni fascia media n. 10 abitazioni fascia alta

63 High Integration Hybrid Systems Inoltre sono stati previsti anche: n. 1 sistema di desalinizzazione acqua di mare e produzione acqua potabile da 40m³/giorno (50 litri/giorno procapite per totali 500 persone), completo di pompe per rilancio in acquedotto. n. 100 lampioni stradali autonomi con lampada sodio SOX E26 (ogni lampione sarà alimentato da proprio gruppo fotovoltaico,, quindi non dipendente dal sistema brido centralizzato) n. 1 sistema di illuminazione pontile composto da 20 lampioncini a luce bianca con lampada fluorescente da 15W (ogni lampioncino sarà alimentato da proprio gruppo fotovoltaico, quindi non dipendente dal sistema brido centralizzato)

64 High Integration Hybrid Systems n. 20 sistemi di trattamento acque reflue WWT100 per totali litri/giorno (100 litri/abitante)

65 Calcolo profilo consumi: High Integration Hybrid Systems Il consumo elettrico totale del villaggio così dimensionato sarà di circa 440kWh/day, con un carico elettrico installato complessivo di 70kWp. Watt DAILY LOAD PROFILE hours

66 Versione A : utilizzo di sistema a GENERATORI DIESEL High Integration Hybrid Systems Due generatori da 100kW che dovrebbero funzionare alternativamente 12h/gg l uno e 12h/gg l altro per coprire il fabbisogno elettrico nelle 24 ore del piccolo villaggio. lt/h DAILY DIESEL CONSUMPTION DGS1 DGS hours

67 High Integration Hybrid Systems CON IL SISTEMA A GENERATORI DIESEL: - Funzionamento anno in ore: 4380h/anno/DGS - Totale consumo carburante giorno: 168litri/giorno (30kWel/medi) - Totale consumo carburante anno: 60969litri/anno - Manutenzione ordinaria: 1x500h - Manutenzione straordinaria: 1x4000h - Revisione motore: 1x20000h

68 High Integration Hybrid Systems Versione B : utilizzo di sistema IBRIDO HIHS Per capire quale può essere la combinazione IBRIDA più consona ad un sito si devono valutare attentamente : - Dati metereologici del sito, onde valutare le fonti presenti da utilizzare per la produzione di energia elettrica e la loro disponibilità continua. - Morfologia del sito, onde verificare la fattibilità dell impianto - Disponibilità degli abitanti ad accettare l idea l di un impianto di questo tipo, accettando il concetto di RISPARMIO ENERGETICO - Disponibilità sul posto di personale autoctono da formare tecnicamente per evitare la dipendenza tecnologica nella manutenzione ordinaria e se possibile anche straordinaria dell impianto IBRIDO. - Possibilità di creare sviluppo e aumento di qualità di vita anche con eventuali indotti (es:: coltivazione palme per carburante GenSet)

69 High Integration Hybrid Systems Versione B : utilizzo di sistema IBRIDO HIHS Per l alimentazione l del villaggio in questione si è pensato quindi ad un sistema ibrido modulare così composto: Blocco fotovoltaico Blocco eolico Generatore elettrogeno di integrazione e back-up con recupero termico (cogenerazione( cogenerazione) ) alimentato ad olio vegetale (olio di palma filtrato). Batterie di accumulo, capacità calcolata per 1 giorno di autonomia Gruppo inverters stand alone con quadro di scambio su GenSet in caso di guasto

70 High Integration Hybrid Systems Raccolta dei dati meteo del sito Per procedere al corretto dimensionamento dei blocchi eolico e fotovoltaico è necessario essere in possesso dei dati relativi alla caratteristica eolica, della temperatura media e della radiazione e solare, mese per mese, del sito. Questo garantisce una simulazione dei risultati abbastanza attendibile (più la media comprende un numero alto di anni di acquisizione, più il risultato è attendibile). Sno stati preferiti, in questo caso, i dati di temperatura, velocità del vento e radiazione solare scaricati dal sito della NASA. Lat -8 Lon 126 Average Wind Speed at 50m (m/s) Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Annual Average 10-year Average Average Daily Radiation on Horizontal Surface (kwh/m 2 /day) Lat -8 Lon 126 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec 10-year Average

71 High Integration Hybrid Systems CALCOLO TAGLIE E PRODUZIONE DEI GENERATORI DEL SISTEMA IBRIDO In un sistema IBRIDO la tecnologia più costosa è quella fotovoltaica,, perciò serve una attenta valutazione delle possibilità alternative al FV. Per contenere i costi nel sistema in oggetto è stato previsto un generatore elettrogeno Nel caso vi sia l esigenza l di prevedere un generatore elettrogeno (come in questo caso) è bene partire da quest ultimo ultimo per il calcolo delle percentuali di produzione da ogni blocco

72 High Integration Hybrid Systems CALCOLO TAGLIE E PRODUZIONE DEI GENERATORI DEL SISTEMA IBRIDO - Blocco Generatore elettrogeno + caricabatterie.. Il generatore quando acceso alimenta i carichi elettrici pesanti e inoltre integra la carica della batteria - Blocco Generatore eolico, calcolato considerando un range tra 1kW e 50kW o multipli di queste potenze (più generatori) e la caratteristica eolica del sito. Potenze comprese tra 1 e 50kW facilitano il trasporto, l installazione e la manutenzione del generatore eolico nei siti rurali. r - Sottraendo all energia richiesta giornalmente dalle utenze la produzione del gen. Elettrogeno e di quello eolico, ciò che ne risulta r è la frazione da produrre con il FV che sarà calcolato in base alla radiazione solare del sito.

73 High Integration Hybrid Systems CALCOLO TAGLIE E PRODUZIONE DEI GENERATORI DEL SISTEMA IBRIDO Generatore Elettrogeno a olio vegetale Per l integrazione dell energia prodotta dai blocchi eolico e fotovoltaico abbiamo previsto nel sistema un generatore elettrogeno da 70kW alimentato ad olio di palma. Questo GenSet inoltre garantirà il back-up del sistema in caso di guasto dell inverter principale o potrà sostituire il blocco fotovoltaico o eolico in caso di no-sun / no wind conditions. Il GenSet in questione funzionerà normalmente per un totale di 5 h/day fisse così specificate: off off off off off off off off off off off on on on off off off off on on off off off off Nelle restanti ore il sistema rimarrà in stand-by per soddisfare le richieste di integrazione.

74 High Integration Hybrid Systems CALCOLO TAGLIE E PRODUZIONE DEI GENERATORI DEL SISTEMA IBRIDO Generatore Elettrogeno a olio vegetale PALM OIL - GENSET Ore funz GenSet: 1917h/anno Energia generata: 76.7MWh/anno Carburante cons.: L/anno Interv. Manutenz: 4 anno Gruppi installati: 1 Daily GS production kwh/day liters/month 1600,0 1400,0 1200,0 1000,0 800,0 600,0 400, ,0 180 jan feb mar apr may jun jul aug sep oct nov dec Genset(Hybrid)Power Palm Oil cons. 1145,8 1034,9 1374,9 1108,8 1145,8 1108,8 1145,8 1145,8 1108,8 1145,8 1330,6 1374,9 0,0

75 High Integration Hybrid Systems CALCOLO TAGLIE E PRODUZIONE DEI GENERATORI DEL SISTEMA IBRIDO Generatore Elettrogeno a olio vegetale Crop kg oil/ha litres oil/ha lbs oil/acre US gal/acre Oil palm Considerando quindi un fabbisogno annuo di circa litri di olio di palma (fabbisogno annuo + scorte) avremo bisogno di piantare 3 ettari di palme da olio ( litri ricavabili totalmente).

76 High Integration Hybrid Systems CALCOLO TAGLIE E PRODUZIONE DEI GENERATORI DEL SISTEMA IBRIDO Generatore eolico Per il blocco eolico la scelta è caduta su un generatore di tipo ad asse orizzontale (HAWT) da 25kW di potenza elettrica a 12m/sec. Le caratteristiche più importanti di questo tipo di generatore eolico considerato sono: - Rated power: 25kW@10,5m/sec - Cut wind speed: 2,5m/sec - Survival wind speed: 60m/sec - Diameter/sweep area.11.0m / 95.0m² -Tower height: 24m

77 High Integration Hybrid Systems CALCOLO TAGLIE E PRODUZIONE DEI GENERATORI DEL SISTEMA IBRIDO Generatore eolico m/sec 8,00 DAILY 25kW WIND GENERATOR PERFORMANCE kwh 350,00 7,00 300,00 6,00 250,00 5,00 200,00 4,00 3,00 150,00 2,00 100,00 1,00 50,00 0,00 jan feb mar apr may jun jul aug sep oct nov dec 0,00 Wind aver. 5,67 5,95 4,41 4,57 6,38 7,35 7,31 6,74 5,61 4,29 3,59 4,42 kwh/prod 193,60 217,90 94,60 105,40 254,60 330,30 327,50 284,20 188,40 86,90 49,50 95,20 I dati mostrati si possono riassumere in: - media velocità del vento nel sito: 5.52m/sec - media produzione giornaliera: 180. kwh/day - media produzione anno: kwh/year - mese di massima produzione: kwh/day a giugno - mese di minima produzione: kwh/day a novembre

78 High Integration Hybrid Systems

79 High Integration Hybrid Systems BILANCIO NERGETICO SISTEMA IBRIDO kwh/day DAILY ENERGY BALANCE - HYBRID SYSTEM Daily load Wind gen PV gen Genset fix Surplus Genset int jan feb mar apr may jun jul aug sep oct nov dec

80 High Integration Hybrid Systems RAFFRONTO TRA COSTI DI SISTEMA SOLO GENSET E SISTEMA IBRIDO COSTI STIMATI CON SISTEMA A GENERATORI A GASOLIO Acquisto, trasporto e install.ne generatori 2x100kW ,00 costo carburante nei 10 anni ,00 costo manut. ordinaria 10 anni ,00 costo manut. straordinaria 10 anni ,00 costo revisione motore 10 anni ,00 Totale costi stimati in 10 anni sistema DGS ,00 COSTI STIMATI CON SISTEMA IBRIDO FV+WIND+GENERATORE OLIO DI PALMA Acquisto, trasporto e installazione sistema ibrido completo Costo manutenzione fotovoltaico+eolico+batterie 10 anni costo carburante nei 10 anni gen. olio palma costo manut. ordinaria 10 anni gen.olio palma costo manut. straordinaria 10 anni gen. olio palma costo revisione motore 10 anni gen. olio palma Totale costi stimati in 10 anni sistema IBRIDO WETAR , , , , , , ,35

81 High Integration Hybrid Systems RAFFRONTO TRA COSTI DI SISTEMA SOLO GENSET E SISTEMA IBRIDO PARAMETRO SISTEMA DGS (Gasolio) SISTEMA IBRIDO (Olio palma) Consumo carburante 10 anni 500 tonn. 125 tonn. SOX prodotto in 10 anni 1.0 tonn. 0.0 tonn. NOX prodotto in 10 anni 3.8 tonn. 0.8 tonn. CO prodotto in 10 anni 0.3 tonn. 0.1 tonn CO² prodotto in 10 anni tonn. 0.0 tonn Polveri prodotte in 10 anni 1.1 tonn. 0.1 tonn

82 High Integration Hybrid Systems RAFFRONTO TRA COSTI DI SISTEMA SOLO GENSET E SISTEMA IBRIDO DIESEL GENSET VS HYBRID SYSTEM + PALM OIL GENSET Daily GS production kwh/day 800 liters/month 6000, , , , , ,0 0 jan feb mar apr may jun jul aug sep oct nov dec 0,0 Oil GS (Hybrid)Power Diesel GS PW Diesel consumption 5178,2 4677,1 5178,2 5011,2 5178,2 5011,2 5178,2 5178,2 5011,2 5178,2 5011,2 5178,2 Palm Oil cons. 1145,8 1034,9 1374,9 1108,8 1145,8 1108,8 1145,8 1145,8 1108,8 1145,8 1330,6 1374,9

83 High Integration Hybrid Systems RAFFRONTO TRA COSTI DI SISTEMA SOLO GENSET E SISTEMA IBRIDO Costo in 10 anni sistema a DGS : Costo in 10 anni sistema IBRIDO : ,00 EURO ,35 EURO Dividendo il costo di ,00 Euro per 10 anni abbiamo un costo annuo medio di 69411,8 Euro/anno il che ci porta a dire che in circa 8 anni di funzionamento dei generatori a gasolio abbiamo ammortizzato i ,35 EURO di costo del sistema IBRIDO. Per essere del tutto onesti bisogna dire che 8 anni è il tempo stimato di vita della batteria del sistema IBRIDO (stazionaria a piastre tubolari) la quale dovrà essere sostituita con un costo di circa EURO.

84 High Integration Hybrid Systems UTILIZZO DELL ENERGIA SURPLUS Come abbiamo potuto vedere nel grafico del Bilancio Energetico ogni sistema IBRIDO correttamente dimensionato produce energia in più che noi chiamiamo ENERGY PLUS Più precisamente il sistema di WETAR produce circa 957kWh/anno, i quali potrebbero essere stoccati per far fronte a nuove inserzioni di utenze o a periodi di consumi più alti. Ma come stoccare questa energia in attesa di essere consumata???

85 High Integration Hybrid Systems UTILIZZO DELL ENERGIA SURPLUS STOCCAGGIO IN UNA BATTERIA SUPPLEMENTARE Basso rendimento del sistema Problemi di mantenimento dell energia energia in batteria (autoscarica( della stessa) Riduzione della vita media della batteria (solfatazione( a causa delle basse correnti di carica rispetto alla propria C10 ed assenza di equalizzazione).

86 High Integration Hybrid Systems UTILIZZO DELL ENERGIA SURPLUS PRODUZIONE DI ENERGIA TERMICA Non sempre l energia l termica è necessaria Problemi di stoccaggio della temperatura Limitata disponibilità di potenza termica di picco (immediata)

87 High Integration Hybrid Systems UTILIZZO DELL ENERGIA SURPLUS PRODUZIONE DI IDROGENO DA UTILIZZARE SU FUEL CELL Medio rendimento di trasformazione Disponibilità di ossigeno da utilizzare nei processi di tratt.. acque reflue Disponibilità di idrogeno come carburante per altri usi Produzione di energia termica dalla fuel cell (una PEM funziona a 100 ) Totale assenza di carico ambientale Disponibilità di potenze comprese da 0,1 a 100kW

88 High Integration Hybrid Systems UTILIZZO DELL ENERGIA SURPLUS TIPO CELLA ELETTROLITA TEMPERATURA ESERCIZIO C RENDIMENTO % SETTORE APPLICAZIONE CELLE ALCALINE - AFC IDROSSIDO DI POTASSIO SPAZIALE, APPARECCHIATURE SPECIALI CELLE AD ELETTROLITA POLIMERICO - SPFC O PEM MEMBRANA POLIMERICA APPLICAZIONI STAZIONARIE, TRASPORTO CELLE AD ACIDO SOLFORICO - PAFC ACIDO FOSFORICO APPLICAZIONI STAZIONARIE, COGENERAZIONE CELLE A CARBONATI FUSI - MCFC CARBONATI DI LITIO E POTASSIO OLTRE 60 APPLICAZIONI STAZIONARIE, COGENERAZIONE CELLE AD OSSIDI SOLIDI - SOFC OSSIDO DI ZINCO OLTRE 60 APPLICAZIONI STAZIONARIE, COGENERAZIONE

89 High Integration Hybrid Systems UTILIZZO DELL ENERGIA SURPLUS

90 High Integration Hybrid Systems UTILIZZO DELL ENERGIA SURPLUS DATI DEL COSTRUTTORE FUEL CELL P.E.M. TENSIONE CELLA : TENSIONE STACK: POTENZA TOTALE STACK: CONSUMI: 600mV 60VDC NOMINALI 1200W 1m³ nh/ora IDROLIZZATORE PRODUZIONE/h IDROGENO: 1m³nH PRODUZIONE/h OSSIGENO: 0.5m³nO CONSUMO MEDIO: CONSUMO ACQUA DEMIN.: 5.6kWh 0,8Lt/h

91 High Integration Hybrid Systems UTILIZZO DELL ENERGIA SURPLUS ENERGIA RECUPERABILE NEL SISTEMA H.I.H.S. - WETAR ENERGIA SURPLUS: IDROGENO PRODUCIBILE: OSSIGENO PRODUCIBILE: PRODUZIONE FUEL-CELL: 957kWh/anno 171m³nH/anno 86m³nO/anno 205kWh/anno

92 REGOLATORE High Integration Hybrid Systems FOTOVOLTAICO BATTERIA EOLICO UTENZA ELETTRICA SISTEMA A IDROLISI FUEL-CELL STOCCAGGIO IDROGENO GENSET Back-Up

93 High Integration Hybrid Systems UTILIZZO DELL ENERGIA SURPLUS Ma vi sono altre possibilità più interessanti dal punto di vista della semplicità di impianto e gestione, rispetto alla tecnologia dell IDROGENO. Attualmente la nostra azienda sta considerando l aria compressa come vettore di stoccaggio dell energia. L aria compressa, rispetto all idrogeno è: più semplice da produrre più semplice da stoccare più semplice da gestire e utilizzare non è infiammabile o esplosiva è un elemento presente in natura

94 High Integration Hybrid Systems SISTEMA AIR12K Circuito aria compressa Circuito potenza Vdc Circuito potenza Vac Circuito controllo e dati Al PC di gestione 1. compressore aria con pressione di 30bar 2. bombola di stoccaggio aria compressa 3. gruppo RL il quale provvede al necessario trattamento dell aria per l'uso con un motore pneumatico (lubrificazione e blocco condensa) 4. gruppo elettrovalvole aria 5. centralina di alimentazione elettrovalvole a parzializzazione di flusso 6. motore pneumatico volumetrico 7. dispositivo di accoppiamento meccanico e trasduttore rpm/coppia per controllo valvole aria motore 8. generatore elettrico 9. convertitore di potenza per adattare il sistema alla batteria da caricare 10. unità di gestione sistema e remotizzazione dati con collegamento seriale

95 High Integration Hybrid Systems Motore Tecnologia Volumetrico 4 pistoni Potenza 3,8Hp 2,85kW a 6bar rpm 2400 Lubrificazione Aria lubrificata Consumo max aria 180 m³/h SISTEMA AIR12K Alternatore Tecnologia sincrono multip. brushless Potenza 4.5kVA MAX Performance a 1500 rpm Protezione (SAE IP20) Classe isolamento IP23 H Gruppo compressore aria Tecnologia Bicilindrico lubrificato Potenza elettrica 2,2kW Produzione aria 30m³/h Max pressione 10 bar

96 High Integration Hybrid Systems SISTEMA AIR12K SISTEMA IN FUNZIONE NORMALE: DATI STIMATI Consumo aria a 5bar con P= 2kW/1500rpm Produzione alternatore Rendimento trasformazione previsto 90m³/h 1500Wel 20% circa Considerando che il sistema ad Idrogeno presenta un rendimento di max 30% con tutte le difficoltà e gli alti costi del sistema, un 20% di rendimento con l utilizzo di aria compressa è più che accettabile.

97 High Integration Hybrid Systems SISTEMA AIR12K Le caratteristiche importanti di un sistema di questo tipo sono intuibili immediatamente: ZERO emissioni, l aria compressa non inquina; Estrema semplicità di manutenzione, il motore ad aria compressa non ha bisogno di filtri, liquidi di raffreddamento, grandi quantità d olio lubrificante; Estrema semplicità di funzionamento, il motore ad aria compressa si fa partire semplicemente aprendo il rubinetto dell aria; Estrema semplicità di gestione: il carburante, l aria, si trova dappertutto e può essere compressa in svariati modi impiegando fonti rinnovabili come l eolico, il fotovoltaico, l idroelettrico, etc. Rumorosità ridotta a zero, un motore ad aria compressa è poco rumoroso e se previsto un box insonorizzato il sistema è completamente silenzioso;

98 High Integration Hybrid Systems GRAZIE E A PRESTO