IMPIANTI FOTOVOLTAICI

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1 Studio Tecnico Associato Marco Rossetti e Ivano Tantalo Architetti Via Verbania 4, 00182, Roma. Tel/Fax: info@ayd.it - Web Site: P.I C.F News 24/2018 del 06/09/2018 IMPIANTI FOTOVOLTAICI L effetto fotovoltaico è un fenomeno naturale che avviene nel momento in cui la radiazione solare passa attraverso un materiale semiconduttore, come ad esempio il silicio cristallino. Quando i fotoni (particelle che compongono la luce solare) colpiscono il materiale semiconduttore della cella fotovoltaica, una parte di energia viene riflessa, una parte si trasforma in calore e un ultima parte provoca uno spostamento degli elettroni degli atomi nel materiale semiconduttore. Gli elettroni spostati nella struttura atomica del semiconduttore iniziano a scorrere, producendo una corrente elettrica nel corpo del semiconduttore. Questa corrente elettrica risulta proporzionale sia alla superficie della cella sia alla intensità della radiazione solare. In linea generale, una cella quadrata di lato 10 cm, esposta a raggi solari che la colpiscono perpendicolarmente, in condizioni di luce piena, è in grado di erogare una potenza elettrica di circa 1,3 W con una tensione di 0,5 V. Schema impianto fotovoltaico.

2 Le applicazioni dell energia fotovoltaica richiedono per la maggior parte caratteristiche di potenza, corrente e tensione piuttosto elevate, e queste sono ottenibili usando più celle contemporaneamente, collegate in serie o in parallelo. In particolare, l insieme di più celle forma un modulo; più moduli assemblati in una struttura comune danno vita al pannello. Più pannelli collegati in serie formano una stringa e l insieme di stringhe costituisce il generatore fotovoltaico. Moduli fotovoltaici sviluppabili partendo da una cella singola. Il silicio, il semiconduttore utilizzato per la realizzazione dei pannelli fotovoltaici, è un elemento presente in natura in quantità elevatissime: dopo l ossigeno è il secondo elemento più diffuso sulla superficie terrestre. In base alla sua struttura cristallina, il silicio può essere: Silicio monocristallino; Silicio policristallino; Silicio amorfo. 24/2018 del 06/09/2018 Pagina 2 di 14

3 SILICIO MONOCRISTALLINO Il silicio monocristallino è il materiale di base dell industria elettronica. È costituito da un cristallo singolo di silicio che ha un reticolo cristallino continuo senza alcuna interruzione. Può essere intrinseco, cioè contenente solo silicio puro o contaminato da piccolissime quantità di altri elementi che permettono di modificare in modo controllato le sue proprietà di semiconduttore. SILICIO POLICRISTALLINO Il silicio policristallino (o polisilicio) è un materiale costituito da cristalli di silicio disallineati (policristallo). Trova notevoli applicazioni in elettronica ed è utilizzato per la realizzazione di pannelli fotovoltaici. SILICIO AMORFO Il silicio amorfo è la forma allotropica non cristallina del silicio. Nel silicio cristallino la struttura tetraedrica si ripete su larga scala a formare un reticolo cristallino ordinato. Nel silicio amorfo questo ordine a lungo raggio non è presente e gli atomi formano un reticolo disordinato e continuo. Uno dei principali vantaggi del silicio amorfo rispetto a quello cristallino sta nella tecnica di produzione che è più semplice. Naturalmente, la qualità del silicio utilizzato influirà sulla qualità e rendimento dei pannelli fotovoltaici. Per questo è fondamentale sapere con quale tipo di silicio sono composti. 1 - COS È UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO Un impianto fotovoltaico è un sistema che sfrutta le radiazioni solari per generare corrente elettrica continua tramite l effetto fotovoltaico. Collegando poi in serie/parallelo un insieme di questi moduli fotovoltaici si ottiene un generatore fotovoltaico con le caratteristiche di corrente e tensione desiderate. Quindi caratteristica essenziale dei sistemi fotovoltaici è la loro modularità, che consente una grande flessibilità di impiego. In una prima fase viene generata corrente di tipo continuo che poi viene trasformata in alternata mediante un inverter. Tale corrente può essere utilizzata per alimentare apparecchi elettrici o immessa in rete. 24/2018 del 06/09/2018 Pagina 3 di 14

4 Si hanno dunque 2 tipi principali di impianti fotovoltaici: Impianti isolati; Impianti integrati alla rete elettrica. IMPIANTI ISOLATI (STAND ALONE) Gli impianti isolati sono sistemi autonomi normalmente utilizzati per elettrificare le utenze difficilmente collegabili alla rete perché situate in aree poco accessibili, oppure le utenze con bassissimi consumi di energia, che non rendono conveniente il costo dell allacciamento. Un impianto isolato è caratterizzato dalla necessità di coprire la totalità della domanda energetica dell utenza. Gli elementi che lo costituiscono sono: 1. Moduli fotovoltaici; 2. Regolatore di carica; 3. Sistema di accumulo (batterie); 4. Inverter. Questi impianti risultano economicamente vantaggiosi nei casi in cui la rete elettrica sia assente o difficilmente raggiungibile. Impianto isolato (stand alone). IMPIANTI INTEGRATI ALLA RETE ELETTRICA (GRID CONECTED) I sistemi fotovoltaici connessi alla rete possono scambiare energia elettrica con la rete elettrica. Gli elementi che costituiscono l impianto sono: 24/2018 del 06/09/2018 Pagina 4 di 14

5 1. Moduli fotovoltaici; 2. Inverter; 3. Quadro elettrico; 4. Contatori (solitamente due, a misurare energia in ingresso e in uscita). Lo scambio può avvenire in due direzioni: se la produzione del campo fotovoltaico eccede per un certo periodo il consumo, l eccedenza viene immessa in rete. Nelle ore in cui il generatore non fornisce energia elettrica sufficiente per soddisfare le utenze, l energia è prelevata dalla rete. In genere sono presenti due contatori che contabilizzano l energia scambiata nelle due direzioni. E comunque presente un inverter che trasforma la corrente continua prodotta dal sistema fotovoltaico in corrente alternata. I sistemi connessi alla rete, ovviamente, non hanno bisogno di batterie perché la rete di distribuzione sopperisce alla fornitura di energia elettrica nei momenti di indisponibilità della radiazione solare. Impianto integrato alla rete (grid connected). 2 - TIPOLOGIA DI PANNELLI FOTOVOLTAICI I pannelli fotovoltaici possono essere di tre tipi, in funzione della tipologia di silicio adottata: Pannelli fotovoltaici monocristallini; Pannelli fotovoltaici policristallini; Pannelli amorfi. PANNELLI FOTOVOLTAICI MONOCRISTALLINI 24/2018 del 06/09/2018 Pagina 5 di 14

6 I pannelli fotovoltaici monocristallini sono costituiti da celle omogenee di silicio, tagliate da lingotti estratti in natura. Questa tipologia presenta un costo più elevato, in quanto il costo del silicio allo stato libero è maggiore. Di solito i pannelli monocristallini hanno i rendimenti maggiori a parità di superficie. Pannelli fotovoltaici monocristallini. PANNELLI FOTOVOLTAICI POLICRISTALLINI I pannelli fotovoltaici policristallini sono, invece, generati dagli scarti del taglio dei lingotti monocristallini. È un silicio meno omogeneo, di prestazioni un po inferiori, ma di costo più contenuto. Pannelli fotovoltaici policristallini. PANNELLI AMORFI I pannelli in silicio amorfo sono costituiti da una lastra trasparente di silicio amorfo (privo di struttura) trattato chimicamente per aumentare la conducibilità. Per questo motivo, sono la soluzione più economica tra i pannelli fotovoltaici, ma presentano un basso rendimento termico. 24/2018 del 06/09/2018 Pagina 6 di 14

7 Pannelli fotovoltaici amorfi. 3 - CARATTERISTICHE DEI MODULI FOTOVOLTAICI I moduli fotovoltaici (FV) sono contraddistinti spesso in base a: Fabbisogno di superficie per kwp di potenza: esprime la superficie necessaria per generare la potenza di un kwp; Grado di rendimento del modulo: è il rapporto tra la potenza elettrica prodotta da un modulo FV e la potenza irraggiata dal sole, in condizioni di test standard. Tale parametro da solo non è sufficiente per determinare la reale efficienza di un modulo FV in quanto si riferisce a condizioni di test standard che solo raramente si verificano durante il funzionamento dell impianto FV; Rendimento specifico annuo: fornisce informazioni sulla quantità di energia che 1 kwp di potenza dell impianto produce alle reali condizioni climatiche del sito. Di seguito proponiamo una tabella con i valori medi di queste 3 grandezze in base alla tipologia del modulo. Tipo di modulo Superficie FV Grado di rendimento Rendimento necessaria per 1 kwp del modulo energetico annuo Moduli monocristallini 5-7,5 m² 14-18% kwh/kwp Moduli policristallini 6-9 m² 12-15% kwh/kwp Moduli in silicio amorfo m² 6-8 % kwh/kwp 4 I COMPONENTI DELL IMPIANTO Come riportato sopra, l insieme di moduli fotovoltaici connessi costituisce il generatore fotovoltaico. La connessione tra i moduli può avvenire in serie o in parallelo o una combinazione delle due. 24/2018 del 06/09/2018 Pagina 7 di 14

8 I moduli collegati in serie costituiscono le stringhe fotovoltaiche, che consentono di ottenere tensioni più elevate. Le stringhe si connettono in parallelo per costituire il generatore. Schema di un impianto fotovoltaico. I componenti principali sono: Cella solare: è il componente elettrico elementare che trasforma la radiazione solare in energia elettrica; Modulo: è costituito da più celle solari connesse elettricamente tra loro; Pannello: è formato da più moduli collegati e posizionati sulla medesima struttura di supporto; Stringa: è generata dalla connessione in serie di più pannelli/moduli; Generatore solare: è costituito da più stringhe connesse in parallelo. 24/2018 del 06/09/2018 Pagina 8 di 14

9 MODULI FOTOVOLTAICI Per la progettazione e la realizzazione dell impianto fotovoltaico occorre dimensionare correttamente i moduli e l inverter, scegliendo opportunamente tra quelli in commercio. Inoltre, sarà necessario effettuare tutte le verifiche elettriche di compatibilità tra campo fotovoltaico e inverter. A tal fine, per i moduli è necessario valutare una serie di caratteristiche, tra cui: Marca; Potenza di picco (espressa in W di picco); Tipologia (monocristallino, policristallino, amorfo, ecc); Corrente nel punto di massima potenza Im (in Ampere); Corrente di corto circuito Ics (in Ampere); Efficienza (in %); Tensione nel punto di massima potenza Isc (in Volt); Tensione di circuito aperto Voc (in Volt); Coefficiente termico della Voc (variazione di tensione con la temperatura) (in V/ C); Temperatura nominale di lavoro della cella NOCT (in C); Tensione massima ammissibile per il sistema in cui viene inserito Vmax (in Volt). A seguire una scheda tecnica di un pannello in commercio, le cui caratteristiche principali sono riportate nella tabella seguente. Modello PROTON 175 MONO Tipo materiale Monocristallino CARATTERISTICHE MECCANICHE Lunghezza 1605 mm Larghezza 805 mm Spessore 42 mm Superficie Peso 16,8 kg N. di celle solari 72 CARATTERISTICHE ELETTRICHE Potenza di picco 175 W 24/2018 del 06/09/2018 Pagina 9 di 14

10 Scheda tecnica fornita da un fornitore. 24/2018 del 06/09/2018 Pagina 10 di 14

11 QUADRO DI CAMPO Se un generatore solare è composto da più stringhe, è necessario un quadro di campo e manovra. Nel quadro di campo sono raccolte in parallelo le singole stringhe prima di portarle all inverter. Gli altri compiti ai quali il quadro di campo deve assolvere sono il monitoraggio delle stringhe, lo scarico delle sovratensioni e la protezione dei moduli FV e dei conduttori delle stringhe dal sovraccarico. Quadro di campo. CABLAGGI I collegamenti tra i moduli fotovoltaici sono effettuati collegando fra loro in serie i moduli della stessa stringa attraverso i connettori MultiContact (maschio e femmina) di cui le junction box di ciascun modulo sono già dotate, effettuando a valle il parallelo di tutte le stringhe. È opportuno posizionare i conduttori in appositi alloggi a protezione dei cavi. I cavi in corrente continua che collegano i moduli devono essere appositi cavi solari. Le sollecitazioni alle quali sono sottoposti i cavi per impianti FV sono decisamente più elevate rispetto ai normali cavi per i comuni collegamenti in corrente alternata. Occorre dunque usare cavi idonei: generalmente riportano la dicitura cavo solare oppure conduttore solare. Devono avere buona esistenza ai raggi UV e agli agenti atmosferici. Lo standard è costituito da cavi preconfezionati, protetti contro l inversione di polarità e dotati di connettori a prova di contatto accidentale. I collegamenti tra inverter, quadro di distribuzione generale e contatori vengono posati in tubo rigido o canalina. Per ogni cavo da utilizzare occorre definire: 24/2018 del 06/09/2018 Pagina 11 di 14

12 Tipo cavo (es. unipolare tipo di isolante PVC); Posa del cavo: (es. in tubazione); Sezione del cavo: (es. 1.5 mm²); Lunghezza cavo: (es. 15 m). Tipo di cavo solare. INVERTER L inverter è un apparecchio che consente la trasformazione della corrente continua (prodotta dal generatore solare) in corrente alternata e porta la tensione ai valori corretti per essere immessa in rete. Inverter. 24/2018 del 06/09/2018 Pagina 12 di 14

13 L inverter deve essere dimensionato in modo da immettere in rete la massima potenza possibile: il suo punto di lavoro deve essere adeguato al Maximum Power Point (MPP) del generatore solare. L inverter è inoltre munito di svariati dispositivi di monitoraggio e di protezione. Il tipo di inverter da utilizzare è diverso a seconda di come è stato concepito l impianto: Inverter di modulo per un singolo modulo FV; Inverter di stringa per il collegamento in serie di più stringhe; Inverter centrale per tutto il generatore solare; Inverter multistringa, una combinazione tra inverter di stringa e inverter centrale. In particolare bisogna verificare che i dati tecnici (valori di corrente, tensione, potenza) dell inverter siano adeguati ai moduli FV e viceversa. PROTEZIONE DELL IMPIANTO Per la parte di circuito in corrente continua, l interruttore principale serve a disconnettere il generatore solare dall inverter e dal resto dell impianto in caso di operazioni di manutenzione o di anomalie. L interruttore può essere integrato nel quadro di comando, a condizione però che rimanga accessibile dall esterno. La protezione contro il corto circuito è assicurata dalla caratteristica tensione-corrente dei moduli fotovoltaici che limita la corrente di corto circuito degli stessi a valori noti e di poco superiori alla loro corrente nominale. Relativamente al circuito in corrente alternata, occorre generalmente installare un interruttore per la protezione contro cortocircuiti e sovraccarichi e un interruttore contro le correnti di guasto. La protezione contro il corto circuito è assicurata dal dispositivo limitatore contenuto all interno dell inverter. Gli inverter sono collegati all impianto elettrico dell edificio e pertanto fanno parte del sistema elettrico di quest ultimo. Per la protezione contro i contatti diretti, tutte le parti sotto tensione sono dotate di isolamento adeguato e/o di involucri con grado di protezione idoneo al luogo di installazione. I circuiti di alimentazione delle prese a spina e degli apparecchi illuminanti vanno protetti con interruttori differenziali. PROTEZIONE DA FULMINI Se l impianto fotovoltaico è integrato nella struttura, non influisce sulla forma o volumetria dell edificio e pertanto non aumenta la probabilità di fulminazione diretta sulla struttura. 24/2018 del 06/09/2018 Pagina 13 di 14

14 L abbattersi di scariche atmosferiche in prossimità dell impianto può provocare il concatenamento del flusso magnetico associato alla corrente di fulminazione con i circuiti dell impianto fotovoltaico, così da provocare sovratensioni pericolose per i componenti dell impianto. È consigliabile proteggere l impianto con opportuni dispositivi SPD (scaricatori di sovratensione) che proteggono da sovratensioni scaricandole a terra mediante l impianto di messa a terra. Se il rischio fulmini non è trascurabile, si può ricorrere a protezione esterna o interna. 24/2018 del 06/09/2018 Pagina 14 di 14