MODULI FOTOVOLTAICI: LE PRESTAZIONI SONO QUELLE ATTESE?

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1 MODULI FOTOVOLTAICI: LE PRESTAZIONI SONO QUELLE ATTESE? Francesco FARINA *, Alessia GILI *, Roberto POLLANO *, Gianpaolo ROSCIO *, Filippo SPERTINO ** * IRIDE Servizi Spa - cso Svizzera, Torino web site: ** POLITECNICO di TORINO Dip. Ingegneria Elettrica cso Duca degli Abruzzi, Torino INTRODUZIONE Scegliere di produrre energia mediante tecnologia fotovoltaica permette di ottenere dei benefici, sia dal punto di vista economico grazie alle incentivazioni introdotte dal conto energia, sia dal punto di vista ambientale per la mancata immissione di gas serra: tuttavia può capitare che i risultati attesi in fase di progetto non coincidano con quelli a cui realmente si perviene. IRIDE Servizi, società recentemente nata dalla fusione tra la torinese AEM Torino e la genovese AMGA, nell ottica di promuovere la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili in ambito cittadino, ha realizzato, presso diversi edifici scolastici della Città di Torino, impianti fotovoltaici con potenza installata di circa kwp. Lo schema di principio dei suddetti impianti è riportato in Fig.1. Per ciascuno dei suddetti impianti si stima, al netto delle perdite nei moduli e nell inverter, una produzione annua media di 1 - MWh. Visti gli ancora ingenti investimenti richiesti per la realizzazione degli impianti, si è ritenuto opportuno procedere ad una attività di verifica delle reali prestazioni degli stessi: il Dipartimento di Ingegneria Elettrica del Politecnico di Torino è stato incaricato di eseguire le verifiche necessarie. Quanto segue ha come finalità la descrizione dell iter di prova seguito per la verifica dell impianto tipo e la successiva analisi dei risultati ottenuti. L esecuzione delle prove è avvenuta conformemente alle prescrizioni indicate dalle Norme CEI del Comitato Tecnico CT8 1 e dalla specifica tecnica del 1995 elaborata dal European Solar Test Installation del Joint Research Centre di Ispra : questi documenti definiscono, tra l altro, il circuito di misura per rilevare la curva caratteristica corrente-tensione I(U) di un dispositivo FV e quello per rilevare la curva di rendimento di conversione DC-AC dell inverter. Campo fotovoltaico V DC Misure Controllo DC AC Inverter V AC Trasformatore Utenza Fig. 1 - Schema di principio di un impianto FV. 1 Nel dettaglio vengono riportate le Norme CEI a cui si è fatto riferimento: CEI 8-1 Dispositivi fotovoltaici Parte 1: Misura delle caratteristiche fotovoltaiche corrente tensione. CEI 8- Dispositivi fotovoltaici Parte : Prescrizioni per le celle solari di riferimento. CEI 8- Dispositivi fotovoltaici Parte : Principi di misura per sistemi fotovoltaici (PV) per uso terrestre e irraggiamento spettrale di riferimento. CEI 8-15 Rilievo delle prestazioni dei sistemi fotovoltaici. Linee guida per la misura, lo scambio e l analisi dei dati. CEI 8-16 Schiere di moduli fotovoltaici (FV) in silicio monocristallino. Misura sul campo delle caratteristiche I-V. CEI 8- Sistemi fotovoltaici: condizionatori di potenza; procedura per misurare l efficienza Commission of the European Communities, Joint Research Centre, Guidelines for the Assessment of Photovoltaic Plants Initial and Periodic Tests on PV Plants Rete pubblica AC 1

2 VERIFICA SPERIMENTALE DELLE PRESTAZIONI DI IMPIANTO La reale capacità produttiva dell impianto è stata determinata sperimentalmente attraverso prove condotte sia sul generatore FV sia sul sistema di conversione DC/AC. Massima potenza erogabile dal generatore Scopo della prova è stato determinare la massima potenza teorica erogabile dall impianto alle condizioni di prova standard (di seguito STC). Tale dato si ottiene attraverso il rilevamento della caratteristica I(U) in tutte le possibili condizioni di carico, comprese quelle di circuito aperto e corto circuito. Per il raggiungimento del precedente obiettivo è necessario connettere l impianto FV ad un carico variabile che può essere o un carico elettronico variabile o, in alternativa, un carico capacitivo. In ogni caso, il carico deve avere una costante di tempo propria tale da permettere l acquisizione della curva I(U) in un tempo sufficientemente breve da ritenere trascurabili le variazioni di irradianza solare e di temperatura dei moduli. Poiché la caratteristica I(U) dipende dai valori di irradianza e temperatura ambiente, queste ultime devono essere misurate: per la misura dell'irradianza si usa una cella FV campione tarata alle STC e dello stesso tipo del dispositivo in prova (p. es. silicio monocristallino). Si precisa che cella campione e dispositivo in prova devono essere complanari. Per contenere l incertezza di misura entro il percento, è consigliabile disporre di un sistema di acquisizione dati almeno a 1 bit con frequenze di campionamento superiori a 1 ksa/s. Nel caso specifico, per la determinazione della caratteristica I(U) è stato impiegato il metodo della carica del condensatore che prevede la connessione del dispositivo in prova ad un condensatore scarico di opportuna capacità interponendo in serie tra i due un interruttore, secondo lo schema di misura riportato in Fig.. Sempre con riferimento alla Fig., i valori tensione e corrente del dispositivo FV, una volta condizionati ai valori opportuni, vengono inviati tramite cavo schermato ad una scheda acquisizione dati dotata di interfaccia PCMCIA e istallata su personal computer. + Interruttore generatore PV Condensatore Shunt (sonda a effetto Hall) Cavo schermato PCMCIA Condizionamento DAQ PC segnali Fig. - Schema di misura per la caratteristica I(U). Alla chiusura dell'interruttore, la tensione ai capi del condensatore non può subire discontinuità e perciò il dispositivo FV passa istantaneamente dal circuito aperto al corto circuito come visibile in Fig. all istante t = 1 ms. Tensione (V) 5 5 u(t) i(t) Tempo (ms) Fig. Transitorio di carica del condensatore. Sempre in Fig. è riportato il transitorio di carica del condensatore che una volta terminato, vede il sistema riportarsi nelle condizioni di circuito aperto (approssimativamente dopo circa ms). I valori di corrente e tensione acquisiti durante tale transitorio permettono di determinare la caratteristica I(U) cercata alle condizioni di temperatura e irraggiamento di prova. In Fig.4 è riportata la caratteristica ottenuta (curva rossa) mentre la curva nera rappresenta l andamento della curva di potenza in funzione della tensione P(U) erogata al carico durante il transitorio. Una volta ottenute le precedenti caratteristiche, è possibile effettuare delle elaborazioni per riportarle alle STC come rappresentato in Fig.4 (curva blu per la corrente e curva verde potenza) e confrontare i risultati ottenuti con i dati dichiarati dal costruttore. Corrente (A)

3 G = 8 W/m TPV = 59, C 4 I(U)STC Il rendimento è stato infine calcolato come rapporto tra la potenza misurata sul lato AC con quella Corrente (A) I(U) P(U) P(U)STC 15 1 Potenza (kw) misurata sul lato DC. ANALISI DEI RISULTATI OTTENUTI Tensione (V) Fig. 4 Curve in condizioni di misura e riportate alle STC. Le elaborazioni necessarie alla determinazione della potenza nominale del generatore FV sono state effettuate in accordo con le norme di seguito riportate: CEI 8-5 Caratteristiche I(U) di dispositivi fotovoltaici in silicio cristallino. Procedura di riporto dei valori misurati in funzione di temperatura e irraggiamento ; CEI 8-1 Dispositivi fotovoltaici - Parte 5: determinazione della temperatura equivalente di cella (ECT) dei dispositivi solari fotovoltaici (PV) attraverso il metodo della tensione a circuito aperto. Rendimento del convertitore DC/AC Scopo della prova è stato determinare il rendimento del gruppo di conversione DC/AC rappresentato dalla connessione in cascata di un inverter ed un trasformatore trifase. Lo schema di misura impiegato è riportato in Fig.5. Nelle prove effettuate sono state misurate, con una cadenza di 1 minuto, tensione, corrente e potenza, sia sul lato DC (metodo voltamperometrico), che sul lato AC (inserzione Aaron). La verifica sperimentale delle prestazioni del generatore FV e del gruppo di conversione DC/AC è stata ripetuta volte per validare la ripetibilità della misura. Dai risultati ottenuti si evince come, in contrasto con il valore di targa nominale dichiarata dal costruttore (P max, nom = 19,8 kwp), la potenza effettiva erogabile dall impianto alle STC sia inferiore (P max, mis 16,5 kwp). In modo da soddisfare le specifiche di progetto richieste da IRIDE SERVIZI, si è provveduto all integrazione di ulteriori moduli FV. La tabella 1 riassume i risultati sperimentali ottenuti con i moduli addizionali e il successivo riporto alle STC mentre in Fig. 6 sono riportate le curve caratteristiche di corrente e potenza sia in condizioni di prova sia alle STC dalle quali è evidente il vantaggio apportato dall integrazione dei moduli. Condizioni ambiente Valori ricavati dalla caratteristica I -V misurata Riporto alle condizioni standard STC Generatore completo Incertezza tipica 1 prova prova prova G [W/m ] ±,5 % Tect [ C] 54, 54, 56, ± C Pmax [W] ±1,5 % U(Pmax) [V] 8, 84, 84, ±,1 % I(Pmax) [A] 4,9 4,9 4,1 ±1,4 % Uoc [V] 5,1 54, 5,1 ±,1 % Isc [A] 48, 48,4 48,4 ±1,4 % FF 68% 68% 68% U(Ptot) [V] ±1, % I(Ptot) [A] 44, 4,9 4, ±,7 % Ptot [kw] 19,7 19,6 19,6 ±4 % Campo PV Lato DC Inverter trifase = = ~ Lato AC Rete Trifase AEM Tabella 1 Risultati delle misure condotte dopo l integrazione dei moduli e dati caratteristici alle STC. G = 97 W/m, Tect = 54 C 5 Pstc Sonde :1 1 mv Morsettiera 1 1 mv :1 1 mv :1 potenza (W) Istc 4 corrente (A) Data logger 4 1 Connessione alla scheda DAQ tensione (V) Fig. 5 Schema di misura impiegato nelle prove sull inverter. Fig. 6 Curve I(U) e P(U) per il generatore FV integrato in potenza.

4 Relativamente alla determinazione sperimentale del rendimento del convertitore DC-AC, è stato adottato il criterio della cosiddetta Efficienza europea o Euro-eta ottenendo un rendimento di conversione η europeo =.957. Mediante questa procedura convenzionale di calcolo, riconosciuta dai costruttori europei di inverter per applicazioni fotovoltaiche, il rendimento di conversione viene espresso come media pesata alle varie potenze, dando un peso preminente al funzionamento a carico parziale (sotto il 5% della potenza nominale). I risultati delle misure di rendimento alle diverse condizioni di carico e i relativi pesi per il calcolo dell efficienza europea sono riportati in tabella mentre. %Pnom Pac (W) η dc-ac pesi 5 8,9, 1 16,945,6,956,1 48,956,1 5 8,965, ,95, η europeo,957 Tabella Rendimento dell inverter per varie potenze. In Fig. 6 è riportato il rendimento del convertitore alle diverse condizioni di carico. Il grafico evidenzia valori di rendimento (costantemente) superiori al 95% per un ampio range di potenza AC (da a 16 kw). Rendimento DC-AC 1,9,8,7,6, PAC (W) Con la dovuta approssimazione, di seguito si valuta il loro effettivo contributo: riduzione dell efficienza spettrale rispetto alla condizione di collaudo in laboratorio (spettro solare AM=1,5 con irradianza G = 1W/m e temperatura T = 5 C): da studi effettuati risulta che nei mesi primaverili, mesi in cui sono state eseguite le misure, l efficienza spettrale è assimilabile a circa AM = 1,5, ovvero, a parità di risposta spettrale, le lunghezze d onda sono ugualmente favorevoli alla conversione con valori trascurabili di perdita; riduzione della potenza risultante del generatore FV per effetto di mismatch : tenendo conto che nella connessione in serie dei moduli quello con corrente minore limita le correnti degli altri e che nel parallelo delle stringhe è la stringa con tensione minore a limitare la tensione delle altre, si ricava che la riduzione di potenza non può essere superiore al 5% secondo i dati forniti dal costruttore; tuttavia appare più realistico, perché in accordo con esperienze precedenti, un valore del %; riduzione della potenza del generatore FV per sporcizia: è trascurabile per l avvenuto lavaggio dei moduli; riduzione della potenza del generatore FV per non idealità dei componenti: la caduta di tensione sui diodi, sui fusibili e sui cavi genera una riduzione della potenza del generatore FV stimata pari all 1%. Questi quattro contributi presenti in sede di misura producono una perdita di potenza pari al 4%: dai 19,8 kwp di targa si scende a circa 19 kwp. Fig. 7 Curva di rendimento dell inverter trifase Effetto delle non idealità Le prestazioni dei moduli FV rispetto alle STC subiscono una diminuzione a causa di una serie di non idealità, come il mismatch delle I(U), la sporcizia, la riduzione dell efficienza spettrale, etc. CONCLUSIONI Dai risultati delle misure condotte si deduce che la potenza totale del generatore, riportata alle condizioni STC, è di circa 19,6 kwp: ciò significa che sono state soddisfatte le richieste di IRIDE SERVIZI (19,8 kwp con tolleranza dell 1%), compatibilmente con 4

5 l'incertezza di misura tipica della procedura di riporto alle STC (±4%). DATI CARATTERISTICI DELL IMPIANTO In merito al rendimento DC-AC dell inverter dotato di trasformatore di connessione alla rete trifase, il calcolo dell efficienza secondo la convenzione europea ha dato un risultato positivo (95-96%), superiore ai valori dichiarati dalla maggior parte dei costruttori di inverter (9-94%). Il valore massimo di rendimento raggiunge il 97%, difficilmente superabile in questa taglia di potenza. La soglia di spegnimento risulta essere intorno a 8 W, pari al 5% della potenza nominale sul lato AC. Le misure effettuate hanno confermato pertanto la necessità di procedere all esecuzione di verifiche volte a valutare l effettiva potenza installata e il rendimento dell impianto, in quanto nella maggior parte dei casi i dati nominali dichiarati dal costruttore risultano ottimistici in quanto testati in condizioni standard e quindi difficilmente replicabili nella realtà e ciò porta a non ottenere i benefici sperati in termini di produzione di energia elettrica. L attività di verifica assume pertanto una rilevanza non trascurabile visto il rapido espandersi della tecnologia fotovoltaica in Italia e la possibilità concreta di usufruire al meglio degli incentivi stanziati in Conto Energia per poter rientrare dell investimento effettuato il prima possibile. Impianto Produzione annua Moduli Generatore fotovoltaico GLOSRIO Impianto fotovoltaico connesso alla rete di distribuzione BT Potenza nominale (STC) Dimensioni Peso./. kwh 165 Wp ± 1% ,5 mm 16,5 kg Silicio monocrostallino Numero moduli 1 Potenza Peso Orientamento / Tilt Ingombro totale 19,8 kwp 4,5 t SUD / 5 m 5 kva con dispositivo MPPT AM = Air Mass (massa d aria) G (W/m ) = irradianza solare Tect ( C) = temperatura equivalente di cella I sc (A) = corrente di corto circuito U oc (V) = tensione a circuito aperto del generatore fotovoltaico (da cui si ricava la T ect ) FF = Fill Factor, determinato come rapporto tra potenza massima P max e potenza fittizia U oc I sc. P max (STC) = potenza massima del generatore formato da 1 moduli 5