PROGETTAZIONE DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO

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1 Le utenze domestiche PROGETTAZIONE DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO II dato di base per il dimensionamento di un sistema è rappresentato dal consumo giornaliero di energia elettrica da parte dell'utenza. Tale consumo dipende dalla potenza e dai tempi di utilizzo degli apparecchi utilizzatori: Qualora sia disponibile il profilo di utenza i consumi possono essere determinati integrando il diagramma di carico. Generalmente i fattori che determinano la richiesta di energia dipendono dal clima, dal numero di persone e dalle dimensioni dell abitazione, dalle condizioni economiche della famiglia e dagli usi e dal grado di sviluppo del paese. In Italia, rivelazioni statistiche dei consumi di una famiglia di composizione tipica, cioè costituita da tre-quattro persone, effettuate dalle società distributrici, hanno valutato in kwh il consumo medio annuo. Inoltre, per il 10% delle utenze è stato valutato un consumo medio pari a circa 500 kwh/anno mentre per il 15% delle utenze è stato valutato un consumo medio maggiore di kwh/anno. La configurazione dell'impianto E' determinata essenzialmente dall'uso finale dell'energia prodotta ed è generalmente costituita, oltre che dal generatore fotovoltaico e dal carico, dal dispositivi di inseguimento del punto di massima potenza o convertitore CC/CC, dal convertitore CC/CA o inverter, dal sistema di accumulo, e dal generatore ausiliario. II convertitore CC/CC consente di ottenere dal generatore fotovoltaico il massimo di energia utilizzabile, in funzione delle condizioni di funzionamento del moduli e delle caratteristiche degli apparecchi utilizzatori. Tale dispositivo, opportunamente pilotato, può assolvere anche alla funzione di controllo di carica delle batterie. In impianti di piccola taglia il convertitore DC/DC viene sostituito, per motivi di costo, con regolatori di tensione tarati in modo da evitare l'eccessiva carica delle batterie.

2 L inverter consente di alimentare un utenza funzionante in corrente alternata oppure di trasferire in rete la potenza erogata. Al fine, poi, di assicurare un adattamento ottimale del generatore alla rete o alle esigenze elettriche del carico è necessario corredare l'inverter di opportuni dispositivi che adattino la tensione d'uscita dell'inverter a quella della rete (trasformatore), e controllino la qualità della potenza immessa in rete, in modo che essa sia compatibile con gli standard richiesti dalla stessa (sistema di filtraggio delle armoniche e di rifasamento). Nel caso di una utenza isolata dalla rete di distribuzione dell'energia elettrica, poiché la potenza richiesta dall'utente non segue l'intensità dell'insolazione, vale a dire il valore dell'energia prodotta non coincide temporalmente con la richiesta dell'utenza, una parte dell'energia prodotta dal sistema deve essere immagazzinata, per riuscire a soddisfare il carico in condizioni di irraggiamento insufficiente (il sistema fotovoltaico genera energia nelle ore centrali della giornata, l'utenza la richiede anche nelle ore notturne). Si impiega quindi, nel caso di utenze isolate, un sistema di immagazzinamento dell'energia elettrica costituito da un banco di accumulatori ricaricabili, dimensionato in modo tale da garantire un'autonomia di funzionamento di 4-5 giorni. Al fine di evitare un eccessivo sovradimensionamento del generatore fotovoltaico e del sistema di accumulo, nei sistemi che richiedono un elevato grado di autonomia, si ricorre all'utilizzo di un generatore ausiliario.

3 I componenti del generatore fotovoltaico II modulo rappresenta il componente elementare di qualsiasi tipo di sistema fotovoltaico. Più moduli assemblati meccanicamente e elettricamente fra loro formano un pannello, ovvero una struttura rigida ancorabile al suolo o ad un edificio. Un insieme di pannelli, collegati elettricamente in serie in modo da fornire la tensione richiesta, costituisce una stringa. Più stringhe collegate, generalmente in parallelo, per fornire la potenza richiesta, costituiscono il generatore- fotovoltaico. Un componente accessorio di moduli e pannelli è rappresentato dalla struttura di sostegno. Essa, generalmente orientata verso sud, sarà progettata in modo da rispondere ad esigenze di basso costo ed alta affidabilità che ne garantiscano la durata. Una caratteristica non meno importante, quando le specifiche di progetto la richiedano, soprattutto per gli impianti di medie-grandi dimensioni, è la possibilità di variare periodicamente l'inclinazione, al fine di permettere la captazione ottimale della radiazione solare. In queste condizioni si ottiene un aumento dell energia prodotta pari a circa il 30%.

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5 Dati tecnici di provenienza industriale 1. Quanto produce un impianto fotovoltaico? Tetto FV da 1 kwp (8 m 2 ) a: Milano Roma Trapani Energia elettrica generabile in un anno kwh per kw kwh per kw kwh per kw 2. Qual è la durata di vita di un impianto fotovoltaico? La durata di un sistema FV si aggira intorno ai 30 anni, con un decadimento della produttività negli anni piuttosto limitato. Tuttavia alcuni esperti in Giappone stimano che un impianto possa produrre energia anche con 80 e più anni di vita. 3. Calcolo semplificato di costo e tempo di rientro economico Ipotesi: Impianto FV residenziale da 2 kwp (16 metri quadrati di superficie) Costo chiavi in mano (stima): IVA 10% = Produzione in Italia Centrale (2 kw) = kwh Guadagno dalla vendita del kwh FV = x 0,45 = Risparmio sul costo evitato dell energia = x 0,15 (costo medio dell elettricità per le famiglie) = 390 Vantaggio economico totale annuale = = Tempo di ritorno dell impianto = : = 9,5 anni Dopo questo periodo si rientra dell'investimento e si comincia a guadagnare. Gli impianti collegati alla rete

6 Gli impianti collegati alla rete sono costituiti da due componenti principali: il generatore fotovoltaico e il sistema di conversione. Le stringhe in cui è suddiviso il generatore fotovoltaico sono generalmente raccolte in parallelo all'interno di un quadro elettrico. Ciascuna stringa, singolarmente sezionabile, è provvista di diodo di blocco e idonei scaricatori di protezione. Il sistema di conversione contiene il misuratore continuo dell isolamento, provvisto di indicatore e blocco in presenza di anomalie, l'inverter e le protezioni di interfaccia. Il collegamento dell impianto alla rete elettrica di distribuzione, nel caso tipico di applicazione del regime di scambio sul posto dell energia elettrica richiede un contatore per la misura dell'energia prelevata dalla rete e un misuratore dell energia immessa in rete.

7 Progetto di un impianto isolato Facciamo un esempio di progetto di un impianto isolato, inserendo molte semplificazioni, laddove i calcoli complicati si eseguono in realtà con sistemi informatici o dove le informazioni richiederebbero tempi troppo lunghi per i nostri scopi. E chiaro che nella realtà pratica il progettista normalmente si occuperà solo di un aspetto dell insieme, usufruendo del lavoro di colleghi a monte o a valle. Dati di input: Sito: Asti Edificio: casa isolata circondata da un prato su cui istallare un campo fotovoltaico Consumo annuo medio stimato: 2000 kwh Progetto ottimizzato per il periodo di minima insolazione, al fine di escludere qualsiasi apporto esterno o generatore a combustione. Esecuzione Dai dati ENEA insolazione minima annua su superficie orizzontale: 1,28 kwh/m 2 /giorno Applicazione del metodo di Liu-Jordan Componente diffusa: 0,21 kwh/m 2 /giorno Componente riflessa: 0,37 kwh/m 2 /giorno Latitudine di Asti: 45 Nord Inclinazione del sole al solstizio di inverno alle ore 12 rispetto alla verticale: (inclinazione dell asse terrestre) = 58 Moduli rivolti a sud con inclinazione rispetto al suolo(s) pari a 58

8 Applicando le formule relative alla sola posizione alle 12 ed estendendo i risultati alla radiazione totale giornaliera, si ottiene: Componente diretta: 1,28/sen(58)*sen(90)=1,51 kwh/m 2 /giorno Componente diffusa: 0,21*(1+cos(58))/2=0,16 kwh/m 2 /giorno Componente riflessa: (1,28+0,21)*0,25*(1-cos(58)/2=0,11 kwh/m 2 /giorno Energia incidente totale: 1,76 kwh/m 2 /giorno Ipotizzando un rendimento del modulo di 0,08, del campo di 0,75 ed un rendimento totale dei componenti diversi dell impianto di 0,8, si ottiene un energia disponibile per le utenze di 85 Wh/m 2 /giorno Dal consumo annuo si calcola la superficie utile necessaria di moduli: 2000/365/0,085=65 m 2. Degli impianti diversi calcoleremo solo gli input per l impianto di accumulo, che si sceglie poi secondo i criteri noti. Autonomia: 5 giorni Energia accumulata: 2000/365*5=27,4 kwh Tensione: 48V Capacità da accumulare: 570 Ah Durata della scarica: 5 giorni pari a 120 ore Commento Le condizioni estreme imposte portano ad impianti non compatibili con scelte economiche valide, anche se agevolati. Occorre infatti considerare che: L impiego del fotovoltaico in una casa richiede l ottimizzazione della progettazione delle utenze, che non è prevista nei dati usati come input. Non è conveniente fare riferimento alla condizioni di insolazione minima, ma invece conviene prevedere un maggior accumulo o un sistema alternativo di fornitura di energia nei casi di insufficienza del fotovoltaico. In alcuni casi potrebbe convenire abbinare il fotovoltaico all eolico, perché spesso sono complementari nel tempo, vale a dire producono energia in alternativa.