6. Determinazione delle configurazioni degli impianti fotovoltaici

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1 6. Determinazione delle configurazioni degli impianti fotovoltaici Un altro passo importante nel dimensionamento di un impianto fotovoltaico è la scelta della configurazione. La configurazione di un impianto è determinata essenzialmente dall uso finale dell energia prodotta. La struttura dell impianto varia a secondo delle caratteristiche del carico elettrico (es. i dati targa del dispositivo) richiesto. Nelle Figura 1.1 è riportato lo schema generale da cui si ottengono le diverse configurazioni impiantistiche. Analizzeremo le principali configurazioni (esistono 16 possibili configurazioni non ridondanti) di impianto e i connessi problemi di installazione. Successivamente passeremo allo studio della configurazione più idonea per i nostri tre casi-studio. Ricordiamo che per casi-studio intendiamo tre piccoli impianti fotovoltaici che servono al villaggio scelto. Campo Fotovoltaico Inseguimento della massima potenza Regolatore di tensione d.c. Connessione diretta Batteria di accumulatori Connessione diretta Inverter Regolazione di tensione d.c. Connessione diretta Carico Figura 6.1- Schema generale di un impianto fotovoltaico. In ogni blocco sono indicate le alternative possibili Le scelte progettuali di configurazione fatte si basano su motivazioni sia di carattere funzionale che economico. 6.1 Schemi tipici di un impianto Fotovoltaico Per realizzare un impianto fv, le configurazioni esistenti con cui si possono assemblare i diversi blocchi possono essere raggruppate in due classi: quelli connessi alla rete di una centrale; quelli indipendenti (stand alone). La scelta di una configurazione impiantistica o dell altra, dipende da diversi fattori tra cui: il tipo di servizio che richiede l utente, le condizioni climatiche del posto. Nei seguenti paragrafi illustriamo le diverse tipologie di schemi di impianto fv e le situazioni in cui ogni determinato schema risulta idoneo.

2 6.1.1 Connessi alla rete di una centrale tradizionale Questo tipo di schema viene adottato quando si realizzano grandi impianti fotovoltaici, il cui scopo è quello di servire la rete elettrica. IL FOTOVOLTAICO MPPT INVERTER CONVERSIONE DC-AC RETE ELETTRICA Figura 6.2 Nella Figura 1.2 è riportato lo schema a blocchi relativo ad un impianto fotovoltaico connesso a rete. Il sistema non ha un carico proprio, ma manda in rete tutta la potenza disponibile, tramite l inverter (che trasforma la corrente continua in corrente alternata sincronizzata con la rete stessa). Il blocco MPPT (Maximum Power Point Tracker) assicura che il campo fotovoltaico funzioni sempre nel punto di massima potenza, anche in condizioni variabili di radiazione solare e di temperatura delle celle. Un importante componente del complesso è l inverter che deve assicurare un buon rendimento di conversione su tutto lo spettro di potenza. Apparecchiature di regolazione e controllo disconnettono l inverter quando la potenza del campo fotovoltaico risulta inferiore al consumo a vuoto dell inverter e degli ausiliari Impianto isolati (Stand alone) - con accumulo e senza integrazione ausiliaria Nella Figura 1.3 è schematizzato un impianto destinato ad alimentare carichi isolati, senza integrazione ausiliare. L unica fonte energetica è costituita dal complesso di captazione solare, che ovviamente deve assicurare l erogazione di potenza in qualsiasi condizione operativa. Data la caratteristica di discontinuità della radiazione solare, è necessario introdurre un accumulo, dimensionato in modo da intervenire per il più lungo periodo di mancanza dell insolazione. Perciò il generatore fotovoltaico deve erogare l energia del fabbisogno giornaliero più la quota destinata alla carica dell accumulatore. 100

3 FTOVOLTAICO UNITA CONTROLLO UNITA CONVERTITORE BATTERIE DI ACCUMULATORI Figura Configurazione CARICO Impianto isolati (Stand alone) - senza accumulo e con integrazione ausiliaria Nella figura 1.4 è rappresentato un sistema con integrazione mediante generatore ausiliario. Questa soluzione viene adottata quando si ha la possibilità di integrare l'impianto fv con un altra fonte di energia elettrica che può essere la rete, energia eolica o un motore Diesel. Nel caso in cui la fonte di integrazione sia un motore Diesel è essenziale minimizzare il consumo di combustibile del generatore destinato a fornire la quota parte di energia non ottenibile dal captatore solare. Si presentano in questo caso i seguenti inconvenienti : spreco di energia nel caso di contemporanea condizione di intensa insolazione e basso fabbisogno; difficoltà di modulazione dei flussi di potenza (è bene che il Diesel funzioni sempre in prossimità del pieno carico). Al primo inconveniente si rimedia aggiungendo un accumulatore elettrico, in cui immagazzinare l eccesso di energia prodotta; il secondo si elimina con l adozione di più Diesel. Questa configurazione è la più completa, e quella più flessibile per i sistemi stand-alone. È tuttavia necessario ricaricare le batterie di accumulo mediante il gruppo Diesel ausiliario. 101

4 FTOVOLTAICO UNITA DI CONTROLLO (MPPT, INVERTER) CARICO ALTRE FONTI RETE,E. EOLICA, DIESEL ECC. Figura Configurazione degli impianti fotovoltaici del villaggio Come abbiamo già accennato nel paragrafo 1.1.2, la scelta di utilizzare impianti fv, per la produzione di energia elettrica nel caso di comunità isolate, è dovuta ai vantaggi che questa soluzione offre rispetto ad altre. Questo rappresenta uno dei pochi casi in cui il sistema fotovoltaico ha un costo competitivo rispetto a fonti di tipo tradizionali. Inoltre offre una serie di vantaggi tra cui: limitata manutenzione, non necessità di rifornimento di combustibile. La configurazione che adottiamo per i tre impianti fotovoltaici è quella autonoma con accumulo senza integrazione ausiliaria, che per brevità li chiameremo autonomi. Tale scelta è motivata dalla necessità di non inserire elementi nel sistema non compatibili con la situazione di località isolata. Per quanto riguarda gli impianti fotovoltaici va detto che già da tempo ne sono stati realizzati un gran numero in ogni parte del globo, laddove la conversione fotovoltaica era la scelta economicamente più valida per fornire la potenza necessaria ad apparecchiature destinate alle telecomunicazioni, alla refrigerazione di vaccini, l illuminazione di emergenza, alla protezione catodica, al pompaggio di acqua. I blocchi che compongono un sistema fotovoltaico presentano delle caratteristiche peculiari. Per quanto riguarda i dispositivi che fungono da carico elettrico hanno i dati targa standardizzati. La maggior parte delle apparecchiature elettriche esistenti in commercio sono previste per l alimentazione dalla rete di distribuzione dell energia elettrica. Pertanto il blocco di uscita contiene quasi sempre un inverter che fornisce tensione alternata a 50 Hz, 220 volt monofase (o 380 volt trifase). Tutte le volte che il carico è costituito da apparecchi che vengono prodotti in larga scala per l impiego con la tensione di rete. Questo vale in particolare per le utenze domestiche per le quali non è a tutt oggi pratico prevedere elettrodomestici speciali adatti ad una alimentazione diversa da quella standard. Quando però una particolare apparecchiatura rappresenta l unica utenza dell impianto fotovoltaico, di solito viene analizzata la possibilità di una 102

5 connessione in corrente continua con conseguente risparmio sulla spesa di investimento ed aumento complessivo del rendimento del sistema. Un altro punto importante del sistema è il blocco di accumulo elettrico che fa da volano tra il momento in cui l energia elettrica viene prodotta e quello in cui viene utilizzata. La presenza dell accumulatore consente la completa utilizzazione dell energia prodotta in surplus nei periodi di forte solleggiamento e bassa domanda, e la restituisce in ore diverse, minimizzando l intervento della fonte integrativa (se prevista). Se esiste una possibilità nel configurare un impianto fotovoltaico di non includere nel sistema il blocco di accumulo elettrico, questa possibilità viene preferita per vari motivi. I principali motivi per cui si preferisce non avere un sistema di accumulo sono: il loro costo assai elevato, necessità di manutenzione con intervento di personale specializzato, cosa che non sempre è possibile ottenere in località isolate. Il rendimento complessivo carica-scarica degli accumulatori raggiunge 80% dove invece il livello di autoscarica è quasi trascurabile. Nel nostro caso gli utenti sono : un frigo per i medicinali, due pompe per l acqua, una macina per le granaglie, illuminazione di un luogo per le riunioni del villaggio. Le alternative sono: un unico impianto fotovoltaico centralizzato che alimenta tutti i carichi o in alternativa tre impianti fv separati che alimentano separatamente il frigorifero - l illuminazione, le pompe ed il mulino per la macina. La scelta cade sulla seconda soluzione per diversi motivi. I principali motivi di tale scelta sono: abbiamo carichi con priorità molto diverse : per garantire le diverse priorità delle utenze, per esempio il frigo dei medicinali ha una priorità superiore alle pompe, si dovrebbe utilizzare, in un sistema unico, dei relè che sconnettono i carichi in base alla loro priorità quando l impianto raggiunge una situazione critica. Tale soluzione è stata scartata proprio per rendere l impianto il più semplice possibile. La scelta di suddividere l impianto unico in tre piccoli impianti rende superfluo il discorso delle priorità tra le utente. In questo caso l elemento che assume maggiore importanza è l affidabilità di ogni piccolo impianto che rispecchia la sua priorità. Il dimensionamento di ogni piccolo impianto sarà impostato sull affidabilità che a seconda dell importanza verrà definita dal progettista. maggiore affidabilità complessiva : da un punto di vista dell affidabilità complessiva del sistema di generazione, la soluzione di adottare tre mini - impianti ha una maggiore affidabilità (avendo degli elementi ridondanti) rispetto ad un unico sistema fotovoltaico che alimenta tutte le utenze. possibilità di ottimizzare meglio gli impianti : la soluzione scelta ci permette di scegliere e dimensionare il sistema di accumulo 103

6 indipendentemente per le diverse utenze; quindi permette una migliore ottimizzazione dell intero sistema. Per esempio nel caso delle pompe l accumulo di energia sarà garantito da serbatoi e quindi non sarà necessario un accumulo elettro-chimico con batterie. potenze in gioco differenti : La differenza di potenza installata esistente tra il sistema frigo-illuminazione e quello di pompaggio suggerisce l opportunità di alimentare le due utenze con sistemi di generazione diversi. possibilità di scegliere il tipo di tensione di alimentazione per il carico A.C. o D.C.: questa possibilità si riferisce agli impianti con unico carico, quali quello di pompaggio e quello della macina. In questi casi abbiamo una possibilità in più cioè quella di poter configurare l impianto in corrente continua. È da notare però che anche se la soluzione di tre impianti separati presenta dei vantaggi funzionali per il sistema complessivo, ciò non è sempre valido dal punto di vista economico. In definitiva, è abbastanza evidente che non si deve più parlare di un unico impianto fotovoltaico per il villaggio, ma di tre piccoli impianti fotovoltaici indipendenti. Nei seguenti paragrafi descriveremo le configurazioni adottate per i tre impianti separatamente L impianto fotovoltaico per il frigo ed l illuminazione Il frigo svolge un importante ruolo nelle piccole comunità rurali isolate. Si prevede che verrà utilizzato esclusivamente per conservare medicinali essenziali per la comunità, es. vaccini, antibiotici. Quindi l impianto fotovoltaico che alimenta il frigo dovrebbe avere una elevata affidabilità, quasi vicino all unità, in modo da garantire in qualunque condizione climatica l energia elettrica. È ovvio che basterebbero poche ore di disservizio dell impianto di alimentazione per rendere i medicinali non più utilizzabili. Lo schema scelto per questo tipo di utente è riportato in Figura 1.5. Si nota che lo schema è sostanzialmente del tipo stand-alone senza integrazione ausiliaria e con accumulo. L unico elemento aggiuntivo è il relè che ha la funzione di disconnettere l illuminazione quando le batterie raggiungono un certo stato di carica. L importanza del frigo dei medicinali rispetto all illuminazione rende necessario che la configurazione permetta che tali priorità siano rispettate. Il sistema di accumulo sarà leggermente sovra-dimensionato in modo da garantire al frigo dei medicinali la massima affidabilità. Non abbiamo previsto nessuna fonte energetica di integrazione ausiliaria proprio per non incorrere nelle problematiche delle possibili fonti, per es. un motore 104

7 Diesel richiede combustibile e pezzi di ricambio che sono difficilmente reperibile nelle località isolate della Somalia. FOTOVOLTAICO INTERFACCIA /BATTERIE FRIGO MEDICINALI BATTERIE DI ACCUMULO RELE ILLUMINAZIONE Figura Schema a blocchi dell impianto Frigo-illuminazione L impianto fotovoltaico per le pompe Un utenza isolata dedicata al pompaggio di acqua può essere progettata priva di accumulatore elettrico, in quanto l effetto volano rispetto all utilizzatore dell acqua può essere svolto altrettanto bene da un serbatoio. Se però si è deciso di effettuare il pompaggio mediante motori alternativi, la presenza di un accumulatore può sopperire alle forti correnti di spunto richieste da questo tipo di motore all avviamento, con conseguente miglioramento della efficacia globale del sistema. L impianto fotovoltaico di alimentazione delle due pompe è dimensionato in modo che possa garantire la portata necessaria giornalmente al villaggio lavorando esclusivamente di giorno. L acqua necessaria nelle ore notturne sarà garantita dal serbatoio di accumulo. Lo schema d impianto è quello di figura 6.6. FOTOVOLTAICO INTERFACCIA /MODULO BATTERIE DI SPUNTO INVERTER INVERTER MOTO-POMPA N 1 MOTO-POMPA N 2 Figura Schema a blocchi dell impianto fotovoltaico per l alimentazione del sistema di pompaggio Si può notare che se le due moto-pompe fossero in continua si potrebbe escludere sia l inverter, con un grosso risparmio sul costo totale. Purtroppo nel nostro caso tale soluzione non è attuabile per il semplice motivo che le moto-pompe in continua non sono in grado di pompare acqua da pozzi molto profondi, quale quello da trivellare nel villaggio Impianto fotovoltaico per la macina delle granaglie L impianto per la macina, in un certo senso, potremo definirlo come un tipo di utente industriale. Si tratta di un mulino di tipo tradizionale (macina metallica a martelli) a cui viene accoppiato un normale motore 105

8 elettrico monofase da 220v a 50Hz. Si prevede che funzioni solo nelle ore diurne quindi non sarà necessario un sistema di accumulo. Le batterie servono in questo caso far fronte alla coppia di spunto in fase di avvio. Lo schema dell impianto è riportato in figura 1.7. FOTOVOLTAICO INTERFACCIA /BATTERIA INVERTER MOTORE ELETTRICO IN A.C. MULINO A MARTELLI BATTERIE PER L AVVIAMENTO Figura Schema a blocchi dell impianto fotovoltaico del mulino per la macina delle granaglie 106