L'impianto e i dispositivi fotovoltaici

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1 L'impianto e i dispositivi fotovoltaici Nel modulo vengono presentate le diverse tipologie di impianti fotovoltaici e le relative applicazioni. Viene poi illustrato il generatore fotovoltaico ed alcune delle caratteristiche elettriche. Tipologie di impianti fotovoltaici Un impianto fotovoltaico è costituito da un insieme di componenti meccanici, elettrici ed elettronici che captano l energia solare, la convertono in energia elettrica, sino a renderla disponibile all utilizzazione da parte dell utenza. Esso sarà quindi costituito dal campo - generatore fotovoltaico, e da un sistema di conversione e controllo della potenza. In funzione del loro utilizzo gli impianti sono classificabili in: impianti isolati (stand alone) impianti connessi alla rete (grid-connected) Impianti isolati (stand-alone) L energia prodotta alimenta direttamente un carico elettrico e, per la parte in eccedenza, viene generalmente accumulata in apposite batterie di accumulatori, che la renderanno disponibile all utenza nelle ore in cui manca l insolazione; I sistemi isolati sono generalmente utilizzati dove non è disponibile la rete elettrica e la manutenzione o l approvvigionamento del combustibile (siti di difficile accesso) risulterebbero onerosi. Sono inoltre utilizzati dove è richiesto un basso impatto ambientale, affidabilità, semplicità di gestione, trasportabilità, riduzione consumi carburante. Come applicazioni per i sistemi isolati, possiamo citare: Alimentazione di utenze isolate; come esempio possiamo considerare l elettrificazione rurale per distanze dalla rete superiori a pochi km e l illuminazione di aree isolate con lampioni (circa 100W) o sistemi centralizzati (10 KW). Applicazioni industriali; come le telecomunicazioni, la protezione catodica, la segnalazione e il rilevamento dati, i park-meter in città, i telefoni di emergenza (autostrade). Elettrificazione dei Paesi in Via di Sviluppo; le statistiche dimostrano che ad tutt oggi, ancora 1,7 miliardi di persone vivono senza elettricità, la quale potrebbe procurargli : bisogni essenziali come acqua potabile, refrigerazione e illuminazione per usi sanitari; miglioramento della qualità della vita attraverso illuminazione residenziale, in scuole, telefono, radio; sviluppo economico su piccola scala: pompaggio per irrigazione, mulini, presse, macchinari per artigianato.

2 Esempi o campi di applicazioni per utenze isolate sono: il pompaggio dell'acqua, soprattutto in agricoltura; l'alimentazione di ripetitori radio, di stazioni di rilevamento e trasmissione dati (meteorologici, sismici, sui livelli dei corsi d'acqua), di apparecchi telefonici nel settore delle comunicazioni; la carica di batterie, nella marina da diporto, nel tempo libero, per installazioni militari ecc.; la segnalazione o prevenzione incendi, nei servizi di protezione civile; nei servizi sanitari, ad es. per l'alimentazione di refrigeratori, molto utili soprattutto nei Paesi in via di sviluppo per la conservazione di vaccini e sangue; l'illuminazione e, in generale, la fornitura di potenza per case, scuole, ospedali, rifugi, fattorie, laboratori ecc.; la potabilizzazione dell'acqua; la segnaletica sulle strade, le segnalazione di pericolo nei porti e negli aeroporti; la protezione catodica nell'industria e nel settore petrolifero e delle strutture metalliche in generale Impianti per il pompaggio dell'acqua

3 Tali impianti richiedono sistemi di accumulo che garantiscano la fornitura di energia anche di notte o in condizioni meteorologiche sfavorevoli e, se gli utilizzatori sono in corrente alternata, viene anche adottato un inverter, che trasforma la corrente continua in uscita dal generatore fotovoltaico in alternata, assicurando il valore desiderato di tensione. Nel caso di generatori fotovoltaici al servizio di impianti di pompaggio, il sistema di accumulo è generalmente costituito dal serbatoio idrico. Impianti connessi ad una rete elettrica di distribuzione (grid-connected) L energia viene convertita in corrente elettrica alternata per alimentare il carico-utente e/o immessa nella rete, con la quale lavora in regime di interscambio. Gli impianti connessi alla rete non sono ancora economicamente competitivi ma sono potenzialmente in grado di fornire, in maniera sostenibile, un contributo sostanziale alla produzione di elettricità.

4 Le principali applicazioni riguardano: Centrali di potenza Sono soprattutto impiegate per l immissione in rete, ma in futuro se ne prevede l utilizzo per la produzione di idrogeno (vettore energetico che risolverebbe il problema dell immagazzinamento dell energia elettrica prodotta in maniera aleatoria); anche se il costo dell energia prodotta è ancora elevato rispetto a quello dell energia all uscita della centrale convenzionale. Generazione distribuita Sono impianti di piccola taglia (tipicamente da 1 a 20 kw) collegati alla rete in BT adatti per essere installati su edifici e infrastrutture (assenza di rumori, parti in movimento, emissioni). Essi hanno potenzialità enormi, sufficienti a coprire una buona parte dei fabbisogni elettrici in molti paesi. Ma anche in questo caso il costo dell energia prodotta è ancora decisamente più elevato rispetto a quello pagato in bolletta. I principali vantaggi offerti da questa applicazione riguardano l impiego distribuito di una sorgente diffusa per sua natura; la generazione di energia elettrica nel luogo del consumo, evitando perdite di trasmissione; la semplicità di collegamento alla rete e la facilità di quest ultima ad assorbire la potenza immessa; la possibilità di impiego di superfici inutilizzate; la valenza architettonica positiva del fotovoltaico nel contesto urbano. Supporto alla rete Sono impianti destinati al supporto a reti di distribuzione con sistemi di media taglia (0,1 1 MW) in alternativa al potenziamento dei rami deboli di rete o supporti a piccole reti, tipicamente isole.

5 Applicazioni di impianti collegati alla rete Il generatore fotovoltaico Il generatore fotovoltaico è essenzialmente costituito da un insieme di stringhe di moduli fotovoltaici installati meccanicamente nella sede di funzionamento e connessi elettricamente tra loro. Le celle fotovoltaiche forniscono valori di tensione e corrente limitati in rapporto a quelli normalmente richiesti dagli apparecchi utilizzatori, sono estremamente fragili, elettricamente non isolate, prive di supporto meccanico. Esse vengono quindi, assemblate in modo opportuno a costituire un unica struttura: il modulo fotovoltaico, che di fatto rappresenta il componente elementare dei sistemi fotovoltaici, una struttura robusta e maneggevole, in grado di garantire molti anni di funzionamento anche in condizioni ambientali difficili; tale modulo va orientato e sostenuto da un opportuna struttura meccanica, di supporto ed ancoraggio. Più moduli, collegati elettricamente in serie con cavi opportuni in modo da fornire la tensione richiesta, costituiscono una stringa. Più stringhe collegate, generalmente in parallelo, per fornire la potenza richiesta, e provviste di opportuni dispositivi di protezione costituiscono il campo o generatore fotovoltaico. Moduli, stringhe, generatore Più moduli, collegati elettricamente in serie in modo da fornire la tensione richiesta, costituiscono una stringa. Più stringhe collegate, generalmente in parallelo, per fornire la potenza richiesta, costituiscono il Campo o generatore fotovoltaico. Il generatore fotovoltaico, insieme al sistema di controllo e condizionamento della potenza (inverter) e ad altri dispositivi accessori di interfacciamento alla rete o al

6 sistema di accumulo, costituiscono l impianto fotovoltaico Le caratteristiche del generatore fotovoltaico vengono in genere definite mediante due parametri elettrici: la potenza nominale P n, cioè la potenza erogata dal generatore FV in Condizioni Standard e la tensione nominale V n, ossia la tensione alla quale viene erogata la potenza nominale. Il cablaggio avvienne attraverso delle scatole di giunzione che si trovano sul retro del modulo, e sono dotate di uno o più fori equipaggiati con passacavi per il cablaggio elettrico, di un coperchio con viti e guarnizione di tenuta. Assumono generalmente la forma di un contenitore plastico di colore nero il cui grado di protezione è adeguato al sito di installazione. Esistono in commercio cassette di giunzione dotate di particolari connettori stagni, i quali permettono un più rapido collegamento tra i moduli stessi in quanto non richiedono l'apertura e chiusura della cassetta risultando utili specie in operazioni di installazioni difficoltose. Il mismatch elettrico e i diodi

7 Per evitare perdite di energia del generatore per mismatch di corrente e di tensione (fattore di perdita che riduce la potenza elettrica erogata dal generatore fotovoltaico a causa della diversità delle correnti dei moduli) vengono usati opportuni diodi sia sul modulo che sulle stringhe: Diodi di by-pass Consentono di cortocircuitare e quindi isolare il singolo modulo o parte di esso, quando una parte viene vista come un carico, il che avviene, per esempio, nel caso di parziale ombreggimento. Infatti la corrente generata dalle celle non ombreggiate si scaricherebbe su quella inattive che agiscono da carico con il surriscaldamento delle celle carico, che potrebbe portare al danneggiamento dell intero modulo. Diodi di blocco Il dimensionamento dei diodi Dimensionati sulla base delle specifiche elettriche del campo fotovoltaico (corrente di cortocircuito del modulo I sc, tensione a vuoto della stringa V oc ), vengono inseriti al fine di evitare che, in seguito a ombreggiamento o guasti, una strigha divenga passiva, assorbendo e dissipando la potenza elettrica generata dalle altre stringhe connesse in parallelo. Infatti, l assenza del diodo di blocco limita la tensione di tutto il generatore fotovoltaico a quella della stringa guasta, limitando così la potenza erogata dall intero impianto. Sono generalmente contenuti all interno del quadro di parallelo delle stringhe il quale raccoglie il contributo elettrico fornito dalle singole stringhe. In figura viene mostrata la configurazione tipica di un generatore fotovoltaico, dove più moduli sono collegati in serie per formare una stringa e più stringhe sono connesse in parallelo per costituire il campo.

8 Nello schema, di seguito riportato, è possibile osservare la presenza dei diodi di bypass disposti in parallelo ai singoli moduli e del diodo di blocco posto in serie a ciascuna stringa idoneo ad impedire che gli squilibri di tensione tra le singole stringhe, nel caso di sbilanciamento nell erogazione di potenza da parte delle stesse, possano dar luogo alla circolazione di una corrente inversa verso le stringhe a tensione minore. Configurazione elettrica tipica di un campo fotovoltaico Per le stringhe, a seconda che il collegamento in serie sia effettuato tra moduli o gruppi di moduli in parallelo, distingueremo la configurazione S e la configurazione P- S. Quando la potenza di una stringa non è sufficiente è necessario collegare in parallelo due o più di esse fino al raggiungimento della potenza elettrica desiderata.

9 Il mismatch I moduli fotovoltaici, anche se nominalmente identici, presentano caratteristiche tensione-corrente diverse tra loro e quando si collegano in serie, la caratteristica tensione-corrente risultante presenta irregolarità tanto maggiori quanto maggiori sono le differenze tra le caratteristiche tensione-corrente dei moduli. Le caratteristiche risultanti non sono più quelle dovute alla somma serie-parallelo delle caratteristiche dei singoli moduli in quanto fra i moduli interviene un effetto di non perfetto accoppiamento (mismatch), dovuto alla disomogeneità delle loro caratteristiche elettriche. Infatti in una sede di moduli la corrente è limitata dal modulo che eroga la corrente più bassa, mentre in un parallelo è la tensione a essere limitata dal modulo che ha la tensione di lavoro più bassa. Tale fenomeno provoca perdite di potenza che sono in genere dell'ordine dei 5-10 % della potenza nominale e che possono essere limitate con una opportuna configurazione serie-parallelo del campo fotovoltaico. Un'opportuna configurazione serie-parallelo può, inoltre, aumentare l'affidabilità del campo fotovoltaico, limitando gli effetti causati da guasti dei singoli moduli. Il mismatch di corrente e di tensione Il mismatch di corrente Il mismatch di corrente è il fattore di perdita che riduce la potenza elettrica erogata dal generatore fotovoltaico la cui causa è la diversità della corrente nominale dei moduli otovoltaici (I nom ). Caratteristica I-V risultante di 2 moduli connessi in serie.

10 Caratteristica V-I di una stringa con moduli (stessa marca e modello) che hanno una INOM, in condizioni STC, di 5,1 A ± 8 % (I nom con distribuzione gaussiana: valore atteso =5,1 A, σ=0,4 A ) Le possibili soluzioni per ovviare al problema di mismatch di corrente sono: Ordinare i moduli in funzione della propria corrente nominale (I nom ), selezionando e collegando moduli con correnti di valore prossimo; Scegliere moduli con basse tolleranze della I nom (es. 3%); Utilizzare la configurazione P-S-P del generatore fotovoltaico; Usare i moduli AC. Il mismatch di tensione Il mismatch di tensione è il fattore di perdita dovuto al fatto che in un parallelo la tensione è limitata dal modulo che ha la tensione di lavoro più bassa. E comunque meno penalizzante dal mismatch di corrente. Il sistema di controllo e di condizionamento della potenza La caratteristica di variabilità di tensione e corrente in uscita dal generatore fotovoltaico al variare dell irraggiamento solare mal si adatta alle specifiche dell utenza, che spesso richiede corrente in alternata, per alimentare direttamente il carico o per il collegamento alla rete elettrica di distribuzione, nonché un valore costante per la tensione in uscita dal generatore. Nei sistemi fotovoltaici il generatore è quindi collegato, a seconda dei casi, alla batteria, agli apparecchi utilizzatori o alla rete, tramite un sistema di conversione e controllo della potenza. Tale sistema racchiude: Il controllo continuo dell isolamento Il dispositivo di blocco per la presenza di anomalie Le protezioni d interfaccia Il dispositivo di conversione DC/DC Il dispositivo di conversione DC/AC Il sistema di accumulo (nel caso di impianti isolati)

11 Controllo dei sistemi isolati Nei sistemi isolati il sistema di condizionamento della potenza adatta le caratteristiche del generatore fotovoltaico a quelle dell utenza e gestisce il sistema di accumulo attraverso il regolatore di carica. In particolare il regolatore di carica serve a preservare gli accumulatori da un eccesso di carica oppure da un eccesso di scarica, entrambe condizioni nocive alla salute e alla durata degli accumulatori. Questi sistemi sono costituiti da un ponte di conversione, generalmente con trasformatore a valle e da un regolatore interno in grado di assicurare un valore costante della tensione e (frequenza) di uscita al variare della tensione continua di ingresso in un campo di valori stabilito. Allo stadio di conversione fa seguito una sezione di filtraggio delle armoniche ed un altra comprendente i dispositivi di protezione lato carico. A seconda dell architettura di sistema essi possono essere provvisti o no di un trasformatore inserito in posizione intermedia tra i due stadi di conversione (HFTR - High Frequency Transformer), oppure all'uscita dello stadio finale (LFTR - Low Frequency Transformer). Controllo dei sistemi grid-connected Nei sistemi connessi alla rete il sistema di condizionamento della potenza, inverter, converte la corrente prodotta dal generatore fotovoltaico da continua in alternata, adatta la tensione del generatore a quella di rete effettuando l inseguimento del punto di massima potenza (come vedremo meglio più avanti), e infine, controlla la qualità della potenza immessa in rete in termini di distorsione e rifasamento. L inverter per sistemi connessi a rete è provvisto del dispositivo di inseguimento del punto di massima potenza (Maximum Power Point Tracker, MPPT) il quale, funzionando come un trasformatore in corrente continua con rapporto di trasformazione variabile, si adopera per fornire un valore costante per la tensione in uscita dal generatore FV nonostante la caratteristica di variabilità dei parametri tensione e corrente erogati dal campo al variare dell irraggiamento solare e della temperatura delle celle FV.

12 Esso consente al convertitore di variare la propria impedenza di ingresso per assumere quella necessaria a realizzare il massimo trasferimento di potenza all utilizzatore. Questa funzione viene svolta generalmente da un primo ponte di conversione DC/DC per mezzo di un unità di controllo a microprocessore. In particolare, viene effettuata un'azione di regolazione della tensione o della corrente di uscita (a seconda delle tecniche utilizzate) in modo tale che l'inverter venga visto dalla rete, nel primo caso, come un generatore di tensione che regola il suo angolo di carico (sfasamento tra la tensione del generatore e quella di rete) per trasferire la massima potenza, e nel secondo caso, come un generatore di corrente il quale inietta in rete una corrente proporzionale alla massima potenza trasferibile. Un secondo stadio di conversione DC/AC, sincronizzato con la frequenza di rete, provvede a convertire il valore della corrente continua in alternata e a fornire la potenza d uscita con le caratteristiche desiderate di tensione e frequenza. Nel caso in cui non sia necessario realizzare un particolare "adattamento di tensione" tra l ingresso (lato generatore FV) e l uscita (lato carico o rete), le azioni di controllo dell MPPT e di regolazione delle grandezze di uscita (tensione e corrente) possono essere entrambe effettuate mediante un unico stadio di conversione dc-ac. A valle dello stadio di conversione finale sono sempre presenti una sezione di filtraggio delle armoniche di corrente iniettate in rete ed i dispositivi di protezione di interfaccia lato carico (generalmente dispositivi di massima e minima tensione, massima e minima frequenza, massima corrente) idonei a soddisfare le prescrizioni per il collegamento alla rete elettrica stabilite dalle norme tecniche di riferimento. Lo schema a blocchi di principio di un convertitore idoneo ad essere connesso alla rete elettrica è riconducibile in generale a quello riportato in figura. Schema a blocchi generico di un convertitore DC/AC Il sistema assicura infine la funzione di interfaccia e di protezione della rete elettrica di cui si tratterà più avanti.

13 L inseguimento del punto di massima potenza Per prelevare la massima potenza dal generatore FV è necessario prevedere un dispositivo capace di inseguire il punto di massima potenza al variare delle condizioni irradianza e temperatura: tale dispositivo viene nominato MPPT (Maximum Power Point Tracker). Il suoi metodi di inseguimento possono essere: Metodo basato sulla misura della V oc ; Metodo perturba e osserva Il metodo perturba e osserva è il più usato negli inverter fotovoltaici perché è di semplice implementazione in quanto richiede solo la misura della corrente e della tensione erogate dall array fotovoltaico (I PV e V PV ). Infatti, perturba la tensione V PV (cambiandone il valore) ed osserva come varia la potenza P PV = I PV * V PV Quando il punto di massima potenza viene raggiunto, V PV oscillerà intorno al valore V PV, MPP. I quadri elettrici I quadri elettrici di un impianto fotovoltaico sono di diverso tipo e assolvono a diversi compiti. I quadri di campo servono a collegare in parallelo delle stringhe. Esistono comunque in generale quadri in continua e in alternata. Quadri in continua Essi contengono, assicurando la relativa funzione: i dispositivi per il sezionamento delle stringhe, i diodi di blocco per la protezione delle stringhe, gli scaricatori per protezione da sovratensioni indotte, le barre per il parallelo delle stringhe. Quadri in alternata Contengono, assicurando la relativa funzione: le connessioni di parallelo delle uscite degli inverter,

14 il contatore per la misura dell energia prelevata dalla rete nel caso di regime di scambio sul posto, i misuratori dell energia prodotta e la protezione di interfaccia con la rete (nel caso di centrali elettriche di potenza). In particolare lo schema di collagamento alla rete elettrica di un impianto fotovoltaico deve assicurare determinate funzioni: avviamento, esercizio ed arresto dell impianto di produzione in condizioni ordinarie cioè in assenza di guasti o di funzionamenti anomali; arresto del processo di conversione di energia in energia elettrica, quando si manifesti nell impianto di produzione un guasto o un funzionamento anomalo; intervento coordinato dei dispositivi del generatore e della rete del produttore, per guasti o funzionamenti anomali durante il funzionamento in isola su carichi privilegiati; intervento coordinato del dispositivo di interfaccia con quelli del generatore, del generale, e della rete pubblica, per guasti o funzionamenti anomali durante il funzionamento in parallelo con la rete pubblica; distacco dell impianto di produzione dell energia dalla rete pubblica tramite il dispositivo di interfaccia nei seguenti casi: apertura intenzionale del dispositivo della rete pubblica; guasti o funzionamenti anomali della rete pubblica.

15 Riepilogo del modulo "L impianto e i dispositivi fotovoltaici" Tipologie di impianti fotovoltaici Il generatore fotovoltaico Il sistema di controllo e di condizionamento della potenza I quadri elettrici