Energia Solare Fotovoltaica

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1 Energia Solare Fotovoltaica Sezione 5 Il Progetto di un impianto fotovoltaico Corso di ENERGETICA A.A. 011/01 Docente: Prof. Renato Ricci Dipartimento di Ingegneria Industriale e Scienze Matematiche

2 Dati di Progetto Si vuole realizzare un impianto fotovoltaico sul tetto di un edificio residenziale. L impianto verrà allacciato in parallelo alla rete di Bassa Tensione dell edificio che, a sua volta, dispone di un allaccio monofase con potenza impegnata di 6 [kw]. Il consumo di energia elettrica annuale dell edificio è di 5000 [kwh] e lo stesso edificio è dotato di una tetto con falda inclinata di 30 gradi ed esposta a SUD. La superficie di tetto disponibile all impianto fotovoltaico è di 65 metri quadrati ed i pannelli verranno fissati sopra le tegole. L impianto fotovoltaico avrà una potenza elettrica complessiva inferiore a 3 [kw] La località in cui l edificio è posizionato è nel comune di ANCONA. Si vuole accedere alla tariffa incentivante del PRIMO SEMESTRE 01, garantita dal quarto Conto Energia nella misura di 0.74 [ /kwh], maggiorata del 10% in quanto l impianto avrà un costo di investimento (dal quale è escluso il costo di installazione e messa in opera) dettato da componenti il cui costo complessivo è adducibile per almeno il 60% a prodotti realizzati all interno dell Unione Europea.

3 Dati Climatici derivati dalla Norma UNI Poiché la radiazione solare annua su piano orizzontale ad Ancona è di 1471 [kwh/mq] e la superficie è esposta a SUD ed inclinata di 30 gradi si può applicare un coefficiente di maggiorazione di In questo modo la radiazione solare annua incidente sulla nostra superficie sarà pari a: 166 [kwh/mq]. 3

4 Caratteristiche del Pannello Fotovoltaico selezionato 1. Dimensioni della cella: 15.6 x 15.6 cm. Numero di celle: Forma e colore della cella: Policristallina Quadrata blu 4. Potenza di Picco (Wp): Tolleranza (%): -0/+5% 6. Efficienza del modulo (%): Corrente nel punto di Max. Potenza (A): Tensione nel punto di Max. Potenza (V): Corrente di Corto circuito I SC (A): Tensione a vuoto V OC (V): Temperatura nominale della cella NOCT ( C): Tensione Massima di sistema (V): Coefficiente di tensione (%/ C): Coefficiente di corrente di Corto circuito: [%/ C] 15. Tensione a vuoto a -10 ( C): [V] 16. Tensione al punto di Max. Potenza a 70 ( C): 5.9 [V] 17. Configurazione elettrica: 60 celle in serie in 6 stringhe da 10 celle 18. Diodi di Bypass: Sistema di connessione: Connettori MC-PV4 cavo 900 mm (+/-) 0. Lunghezza pannello: 1636 [mm] 1. Larghezza Pannello: 99 [mm]. Spessore Pannello: 45 [mm] 3. Spessore con J-Box: 45[mm] 4. Peso (kg): Garanzia di prestazione (% in anni): 90% per i primi 1 anni e 80% su 5 anni 6. Garanzia del prodotto: 10 anni 7. Certificazioni (IEC6115, IEC61730, CEC, VDS, RoHS, TUV, MCS, UL Listed, ISO9001, ISO14001; PV-Cycle)

5 Scelta del campo fotovoltaico Volendo rimanere al di sotto dei 3 [kw] si opta per un campo formato da DUE stringhe; ogni stringa è composta da SEI pannelli, per un totale di 1 pannelli. La potenza massima di ogni stringa sarà pari a: 6x40 = 1440 [W] La tensione MPP di stringa è pari a 6x9.7 = 178. [V] La corrente MPP di stringa è pari a 1x8.09 = 8.09 [A] La corrente di cortocircuito massima e pari a 1,5 x Isc = 1.5x8.55 = [A] La tensione minima MPP di stringa è pari a: 6x9.7x(1-(70-5)*0.33/100) = 6x5.9 = [V] La tensione massima di stringa in circuito aperto è pari a: 6x36.9(x1-(-10-5)*0.33/100)=6x(41.16)=47 [V] La tensione massima MPP è pari a : 6x9.7x(1-(-10-5)*0.33/100)=6x(9.8)=178.8 [V] Caratteristiche del campo: Potenza complessiva: x1440=880 [W] Tensione MPP: 178.8[V] Tensione MPP a +70 gradi: [V] Tensione MPP a -10 gradi: 47 [V] Corrente MPP: x8.09 = [A] Corrente di cortocircuito massima: x10.69 = 1.4 [A] Occupazione di tetto: (x1.64)x(6x0.99)=3.8 x 5.95 [mq] Stringa Stringa -

6 Scelta dell Inverter Massima potenza accettabile del generatore FV in ingresso: 300 [W] Potenza Nominale: 3000 [W] Minimo Voltaggio MPP: 15 [V] Massimo voltaggio MPP: 350 [V] Massima tensione di ingresso: 450 [V] Massima Corrente di ingresso : 16 [A] ad ingresso Massima efficienza: 0.94 Rendimento europeo: Il parallelo delle stringhe è interno all Inverter con ingressi regolati MPPT separatamente L inverter è monofase e dedicato ad installazioni al coperto: IP1. Livello acustico basso: 45 dba, privo di ventilazione forzata Massa: 19.5 [kg] Dimensioni: 498x386x188 (mm) Range temperatura di esercizio: -0/+60 gradi VERIFICA DELL ACCOPPIAMENTO TRA INVERTER E MODULI 1. La massima tensione di stringa non deve superare la massima tensione sopportata dall Inverter: 50 V < 450 V condizione soddisfatta. La minima tensione MPP di stringa non deve essere inferiore alla minima tensione MPPT dell inverter: V > 15 V condizione soddisfatta 3. La massima tensione MPP di stringa non deve essere superiore alla massima tensione MPPT dell inverter: V < 350 V condizione soddisfatta 4. La somma delle correnti MPP massime delle due stringhe in parallelo non deve superare la massima corrente in ingresso dell inverter: x = 1.38 < x 16 [A]

7 Dimensionamento Cavi e quadro di campo Ogni pannello è dotato di cavi solari FG1M1 da 4 [mmq] di sezione; sia il tratto connesso al polo positivo che quello connesso al negativo sono lunghi 900 [mm] cadauno. Tutti i dispositivi di comando, sezionamento e protezione delle stringhe vengono installati in un quadro elettrico interno alla abitazione. Il quadro di campo conterrà così DUE diodi di blocco, installati sul positivo delle stringhe, DUE interruttori sezionatori e QUATTRO SPD (dispersori di sovratensione). I diodi di blocco dovranno poter operare ad una tensione massima pari almeno al doppio della tensione a vuoto della stringa: Tensione Diodo > x (6 x 36.9) = 44.8 [V] ed una corrente nominale superiore a 1.5 volte la corrente di cortocircuito del pannello: Corrente di diodo > 1.5 x 8.55 = 10.7 [A] Si sceglie così un diodo con tensione di lavoro di 800 [V] e corrente nominale di 1 [A]. Per la scelta dell interruttore magnetotermico di stringa è necessario tenere conto che in genere ogni interruttore presenta una tensione nominale in CC di 50 V pertanto per ogni stringa occorre dotarsi di due interruttori in serie per ogni polo. La soluzione migliore è quella di optare per DUE interruttori a 4 poli, dove, mettendo in serie ogni coppia di poli si arriva ad una tensione di lavoro di 500 Vcc, ben superiore a i 47 Vcc della tensione di circuito aperto di stringa. Gli SPD sono scelti con tensione di esercizio di superiore a: 6 x (1.5 x Voc)= 6 x (1.5 x 41.16) = 550 Vcc si prende un SPD da 600 Vcc ed una corrente impulsiva nominale di scarica di 1.5[kA] per un tempo di 8/0 µs.

8 Calcolo e stima delle perdite di impianto L: Distanza fra la stringa fotovoltaica ed il quadro di campo: 15 m Il cablaggio fra la stringa ed il quadro viene effettuato con cavi solari FG1M1 da 4 mmq di resistività pari a 5.09 [ohm/km] Ogni pannello della stringa è dotato di due cavi di collegamento da 0.9 [m] di lunghezza cadauno. La potenza massima di stringa è pari a 1440 [W] La tensione MPP di stringa è di [V] Perdite Totale sul lato CC U % = U % + U % = 0.97 [%] CC 1 Perdite Stimate Perdite per effetto termico: 7% Perdite per mismatch: 3% Perdite per bassa radiazione: % Perdite per riflessione: % Perdite Inverter: ( )*100 = 6.5% Perdite complessive: = 1.47 % La caduta di potenziale del campo FV, dovuta ai cavi di collegamento, è pari a quella di una stringa, essendo queste ultime in parallelo. ρ L ρ L ρ L P U % = [%] max 1 S1 S S3 ( N UMPP ) = [%] 1000 = Il quadro di campo è collegato all inverter con due cavi unipolari FG7R0,6/1 kv da 6 mmq di sezione, la lunghezza del cablaggio è di metri e la resistività del filo è di 3.3 [ohm/km] ρ L P U % = 100 [%] max S ( N UMPP ) 1440 = [%] 1000 = 178.8

9 Misura dell energia e collegamento alla rete CALCOLO DELL ENERGIA PRODOTTA La radiazione solare totale annua è pari a: 166 [kwh/mq] Il numero di ore equivalenti a 1000 [W/mq] è: /1000 = 166 ore La potenza dell impianto è: 880 [W] Il rendimento totale dell impianto è pari a: ( ) = Consumo elettrico annuo di energia elettrica dll abitazione: 5000 [kwh] La produzione di energia annua sarà pari a: 166 x 880 x = [Wh] = 3758 [kwh] pari al 75. % del consumo elettrico dell abitazione.

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