Il monitoraggio giornaliero e il collaudo in potenza degli impianti fotovoltaici

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1 POLITECNICO DI TORINO Dipartimento di Ingegneria Elettrica F.Spertino, DELET, POLITECNICO DI TORINO Il monitoraggio giornaliero e il collaudo in potenza degli impianti fotovoltaici F. Spertino Dip. Ingegneria Elettrica - Politecnico di Torino

2 Introduzione F.Spertino, DELET, POLITECNICO DI TORINO Fattori che determinano una diversità di produzione energetica da impianto a impianto: 1. Radiazione e temperatura nel sito di installazione 2. Tecnologia dei moduli FV 3. Modalità di ventilazione dei moduli 4. Ombratura sistematica di una parte dell array 5. Tecnologia dell inverter per connessione alla rete 6. Locale di installazione dell inverter 7. Affidabilità delle protezioni (diodi, fusibili) E ac = P r Y r R p

3 Architettura di un impianto fotovoltaico La norma di riferimento è la CEI EN (82-15) Rilievo delle prestazioni dei sistemi fotovoltaici. Linee guida per la misura, lo scambio e l analisi dei dati

4 Norma CEI EN (82-15) Le principali grandezze fisiche da monitorare sono: F.Spertino, DELET, POLITECNICO DI TORINO Parametro Descrizione Incertezza Parametri elettrici P ac Potenza lato alternata [W] ± 2 % E day Energia giornaliera [kwh] ± 2 % P dc Potenza lato continua [W] ± 2 % Parametri ambientali G Irraggiamento [W/m 2 ] ± 5 % T a Temperatura dell'aria ± 1 C T c Temperatura dei moduli ± 1 C

5 Norma CEI EN (82-15) F.Spertino, DELET, POLITECNICO DI TORINO L analisi energetica dell impianto si effettua con questi indici Simbolo Parametro Unità di misura Y r Resa energetica di riferimento hd -1 Y A Resa energetica della schiera di moduli hd -1 Y f Resa energetica del sistema FV finale hd -1 R p Indice di prestazione Adimensionale L c Perdite della schiera di moduli hd -1 L BOS Perdite BOS hd -1

6 Verifica energetica secondo guida CEI La formula dell energia impiega: i dati nominali dell array P nom e dell inverter η inv ; l irradiazione sull angolo di tilt (kwh/m 2 ) riferita a 1 kw/m 2, ore equivalenti solari h s tutte le altre perdite del generatore FV (ottiche, resistive, caduta sui diodi, mismatch delle curve I-V) sono tipicamente assunte pari all 8% E AC nom s ( 1, 8 + γ T ( η )) = P h 1 si trascurano le perdite per ombratura, difficilmente quantificabili inv

7 Impianto «I.I.S. P. Levi» F.Spertino, DELET, POLITECNICO DI TORINO *Potenza nominale [kw] 11,78 Periodo dati monitoraggio Settembre 21 - Maggio 211 Tecnologia moduli p-si Stazione meteo ARPA TO v. Consolata Inclinazione ( ) 35 Energia prevista (kwh) 885 Azimut ( ) 3 Energia monitorata (kwh) 6635 Inverter Solarmax 6C Energia teorica annuale (kwh) 9442 Efficienza europea inverter,96 Scostamento previsione ε (p-m)/m 32,71% * Un inverter guasto (con inverter funzionante Pnom=17,98 kwp) Impianto Levi Novembre 21 ( 11,78 kwp ; p-si ) 6 Datalogger Previsione 5 4 E ac [kwh] Giorno

8 Impianto «I.I.S. Maxwell» ad inseguimento *Potenza nominale [kw] 5,92 Tecnologia moduli Inclinazione ( ) Azimut ( ) Inverter p-si variabile con inseguitore a due assi Mastervolt Sunmaster QS32 Efficienza europea inverter,94 Periodo dati monitoraggio Dicembre 21 - Settembre 211 Stazione meteo ARPA TO v. Reiss Romoli Energia prevista (kwh) 7622 Energia monitorata (kwh) 4261 Energia teorica del periodo (kwh) 7882 Scostamento previsione ε (p-m)/m 78,86% * Un inverter guasto (con inverter funzionante Pnom=8,88 kwp) Potenza AC (W) Inverter 3 - stringhe 3A-3B (2,92 kwp) Stringa 3A Stringa 3B Inverter 6 -stringhe 6A-6B (2,92 kwp) 1 Stringa 6A Stringa 6B 8 Potenza AC (W)

9 Impianto «Palestra di Roccia» Potenza nominale [kw] 1,9 Periodo dati monitoraggio Maggio 21 - Giugno 211 Tecnologia moduli m-si Stazione meteo ARPA TO v. Consolata Inclinazione ( ) 3 Energia prevista (kwh) 1531 Azimut ( ) 5 Energia monitorata (kwh) 6267 Inverter Fronius IG6 + IG4 + IG3 Energia teorica annuale (kwh) Efficienza europea inverter,94 Scostamento previsione ε (p-m)/m 68,4% 3 Giorno sereno -26 marzo 211 Inverter 1 Inverter 2 Inverter 3 6 Impianto Palestra di Roccia Marzo 211 ( 1,9 kwp ; m-si ) Datalogger Previsione Potenza AC [W] 15 1 E ac [kwh] :3 8:3 1:3 12:3 14:3 16:3 18:3 Orario Giorno

10 Impianto «Condominio» F.Spertino, DELET, POLITECNICO DI TORINO Potenza nominale [kw] 2,53 Periodo dati monitoraggio Aprile 21 - Marzo 211 Tecnologia moduli m-si + a-si Stazione meteo ARPA Pino Torinese Inclinazione ( ) 28 Energia prevista (kwh) 352 Azimut ( ) 5 Energia monitorata (kwh) 3142 Inverter SMA SB 3TL-2-IT Energia teorica annuale (kwh) 3233 Efficienza europea inverter,96 Scostamento previsione ε (p-m)/m -2,85% Impianto Condominio Settembre 21 (2,53 kw; m-si + a-si) 18 Datalogger Previsione E ac [kwh] Giorno

11 Impianto «Greenergy (CIS)» F.Spertino, DELET, POLITECNICO DI TORINO Potenza nominale [kw] 2,2 Periodo dati monitoraggio Marzo - Settembre 21 Febbraio - Settembre 211 Tecnologia moduli CIS Stazione meteo ARPA Avigliana Inclinazione ( ) 35 Energia prevista (kwh) 3515 Azimut ( ) 2 Energia monitorata (kwh) 3613 Inverter PowerOne 2 Energia teorica annuale (kwh) 4758 Efficienza europea inverter,95 Scostamento previsione ε (p-m)/m -2,7% Impianto Greenergy Luglio 21 ( 2,2 kwp ; CIS ) 16 Datalogger Previsione E ac [kwh] Giorno

12 Impianto «Dinamo» Potenza nominale [kw] 125,6 Periodo dati monitoraggio Marzo 21 - Febbraio 211 Tecnologia moduli m-si Stazione meteo ARPA TO v. Reiss Romoli Inclinazione ( ) 3 Energia prevista (kwh) Azimut ( ) 7 Energia monitorata (kwh) Inverter Solarmax 3C-35C-8C Energia teorica annuale (kwh) Efficienza europea inverter,95 Scostamento previsione ε (p-m)/m -1,2% Impianto Dinamo Luglio 21 ( 125,6 kwp ; m-si ) 9 Datalogger Previsione E ac [kwh] Giorno

13 Risultati sperimentali dei 13 impianti monitorati Le prestazioni sono molto diverse da impianto a impianto Condominio Dalmasso Pal. roccia Ferraris Sommeiller Dinamo Dinamo P nom [kw] 2,53 8,99 1,9 13,2 19,8 125,6 125,74 Tecnologia moduli m-si + a-si p-si m-si p-si p-si m-si p-si Tilt ( ) Azimut ( ) Stazione meteo ARPA Pino Torinese Avigliana TO v. Consolata TO v. Consolata TO v. Consolata TO v. Reiss Romoli TO v. Reiss Romoli Periodo Apr 21 - Mar 11 Mag 21 - Apr 11 Mag 21 - Mar 11 Mar 21 - Feb 11 Mar 21 - Feb 11 Mar 21 - Feb 11 Mar 21 - Feb 11 E ac [kwh] Y r [h anno -1 ] Y f [h anno -1 ] R p,83,73,44,5,54,8,74 eccellente nella media mediocre (--) mediocre (-) mediocre (-) eccellente nella media Greenergy Greenergy Greenergy Maxwell Maxwell Levi P nom [kw] 2,1 2,18 2,2 8,88 5,92 11,78 Tecnologia moduli a-si + µ-si CdTe CIS p-si p-si p-si Tilt ( ) Inseguitori 35 Azimut ( ) Stazione meteo ARPA Avigliana Avigliana Avigliana TO v. Reiss Romoli TO v. Reiss Romoli TO v. Consolata Periodo Feb - Set 211 Feb - Set 211 Feb - Set 211 Dic 21 - Set 11 Dic 21 - Set 11 Set 21 - Mag 11 E ac [kwh] Y r [h periodo -1 ] Y f [h periodo -1 ] R p,78,69,82,55,41,65 superiore alla media mediocre (+) eccellente mediocre (-) mediocre (--) mediocre (+) LEGENDA P nom [kw] : Potenza nominale impianto E ac [kwh] : Energia monitorata immessa in rete Y r [h periodo -1 ] : Ore eq. solari su piano moduli Y f [h periodo -1 ] : Resa energetica in ore equivalenti

14 Sistema automatico di acquisizione dati (1) Il SAAD si basa su una scheda DAQ con 16 bit di risoluzione, 8 canali differenziali, 1 ksa/s di frequenza di campionamento per canale; esso è verificato nel laboratorio di taratura del POLITO Il SAAD è adatto per misure DC/AC (DFT fino alla 5 a armonica). Le portate sono estese a 1 V pk e 2 A pk con incertezze tipiche di: ±,1% per la tensione, ±,5-1% per la corrente, ±,6-1,1% per la potenza e ±2.5% per l irradianza

15 Sistema automatico di acquisizione dati (2) Gli strumenti virtuali realizzati in Labview comprendono: un oscilloscopio a memoria con sistema di trigger e un data logger multicanale

16 Circuiti di misura per il collaudo in potenza (1) Il transitorio di carica di un adatto condensatore permette di determinare, in una singola scansione (1-1 ms), la caratteristica dinamica I-V di un array FV senza l uso di un carico elettronico + Array FV Condensatore u(t) i(t) Cavo schermato DAQ PCMCIA PC Signal conditioning

17 Circuiti di misura per il collaudo in potenza (2) La misura delle efficienze MPPT e DC-AC può essere effettuata con prove a carico su inverter monofasi e trifasi Il ripple a 1Hz è tipico negli inverter monofasi Cavo schermato DAQ PCMCIA PC + i DC - + v DC - + i AC - + v AC - Signal Conditioning Array FV Inverter Rete 23V-5Hz

18 La valutazione dell array FV e dell inverter La variante 1 della Guida CEI distingue i collaudi in energia da quelli in potenza, per questi si propongono giudizi convenzionali sui componenti principali d impianto Tabella prestazionale moduli FV Scarto negativo Prestazione < 4% Eccellente 4 % - 8% Superiore alla media 8 % - 12% Inferiore alla media > 12% Mediocre Tabella prestazionale inverter Rendimento medio Prestazione > 97,5 % Eccellente 95 % - 97,5% Buono 92,5 % - 95% Discreto 9 % % Sufficiente < 9 % Insufficiente Sono stati provati 1 impianti di varia tecnologia e potenza, qui per brevità si riportano i risultati di 3

19 Potenza nominale: 18 W p ; Campo fotovoltaico: 6 moduli in silicio monocristallino (1 stringa x 6 moduli in serie); Moduli: ILB HELIOS EW18W-M da 18 W p ; Inverter: SMA Sunny Boy 12 con trasformatore in BF; Inclinazione: 2 ; Azimut: (Sud). F.Spertino, DELET, POLITECNICO DI TORINO Gli impianti FV collaudati in potenza Polizia municipale del Comune di Avigliana Specifiche elettriche ( STC ) Generatore fotovoltaico ILB HELIOS EW18W-M 6 moduli in serie V mpp 35,57 V I mpp 5,6 A V oc 44,8 V I sc 5,51 A P mpp,18 kw η 14,1% ε(p mpp) -3% 3% N s 72 1 stringhe in parallelo P nom 1,8 kw V nom 213,42 V I nom 5,6 A G = 821 W/m² Tc = 44,5 C 8 1,2 7 P stc (U) 1,1 Ricostruzione delle curve corrente-tensione (I-V), al momento della misura e in condizioni STC Corrente (A) I(U) I stc (U) P(U),9,8,6,5,3 Potenza (kw) 1,2, Tensione (V)

20 Gli impianti FV collaudati in potenza Polizia municipale del Comune di Avigliana Riepilogo dei risultati venerdì 4 febbraio 211 Campo Fotovoltaico Condizioni sperimentali Prova1 Prova2 Prova3 Media T a 15,4 15,1 15,3 15,3 C G W/m 2 P max,771,795,76,775 kw V Pmax 195,79 198,95 21,13 198,62 V V oc 244,89 245,35 244,5 244,91 V V Pmax /V oc,8,81,82,81 I Pmax 3,94 3,99 3,78 3,9 A I sc 4,34 4,5 4,34 4,39 A I Pmax /I sc,91,89,87,89 Fill Factor 72,7% 71,9% 71,7% 72,1% Riporto alle condizioni standard ( STC ) P mpp 1,14 1,6 1,1 1,1 kw V mpp 211,26 216,32 214,84 214,14 V I mpp 4,8 4,65 4,7 4,72 A Altri parametri Scarto -6,2% -6,9% -6,5% -6,5% I mpp -5,2% -8,1% -7,1% -6,8% V mpp -1,% 1,4%,7%,3% η 13,2% 13,1% 13,2% 13,2% T c 44,5 45,2 44,5 44,7 C Efficienza in per unità 1,9,8,7,6,5,4,3,2,1 MPPT DC-AC Potenza AC (W) Efficienze del MPPT e del convertitore DC/AC Misure lato DC con inverter spento

21 Gli impianti FV collaudati in potenza Scuola Media L.M. Quarini di Riva presso Chieri (TO) Potenza nominale: 216 W p Campo fotovoltaico:144 moduli in p-si (12 stringhe x 12 moduli in serie). Moduli: HELIOS 154 da 14 Wp Inverter: 6 inv. monofase FRONIUS IG 3 (uno per sottocampo da 2 stringhe x 12 moduli in serie). Inclinazione: 3. Azimut: (Sud). Specifiche elettriche ( STC ) Generatore fotovoltaico HELIOS H Wp 12 moduli in serie V mpp 17,8 V I mpp 7,86 A V oc 23, V I sc 9,24 A P mpp,14 kw η 11,9% V nom 213,6 V ε(p mpp) -5% 5% N s 4 I nom 15,72 A 2 stringhe in parallelo P nom 3,36 kw 32 G = 112 W/m² Tc = 51,3 C 4. Ricostruzione delle curve corrente-tensione (I-V), al momento della misura e in condizioni STC Corrente (A) 28 P stc(u) 24 2 I stc (U) P(U) 16 I(U) Tensione (V) Potenza (W)

22 Gli impianti FV collaudati in potenza Scuola Media L.M. Quarini di Riva presso Chieri (TO) Riepilogo dei risultati mercoledì 23 marzo 211 Condizioni sperimentali Prova1 Prova2 Prova3 Prova4 Media T a 2,9 2,8 21,1 21,2 21, C G W/m 2 P max 2,561 2,557 2,55 2,542 2,552 kw V Pmax 177,33 176,6 177,8 176,84 176,96 V V oc 251,42 251,17 25,79 25,3 25,92 V V Pmax /V oc,71,7,71,71,71 I Pmax 14,44 14,48 14,4 14,38 14,42 A I sc 16,42 16,43 16,42 16,43 16,42 A I Pmax /I sc,88,88,88,88,88 Fill Factor 62,% 62,% 61,9% 61,8% 61,9% Riporto alle condizioni standard ( STC ) P mpp 2,984 2,976 2,975 2,97 2,976 kw V mpp 25,89 25,4 28,49 26,53 26,58 V I mpp 14,49 14,49 14,27 14,38 14,41 A Altri parametri Sottocampo Inverter n. 6 R s cella mω Scarto -11,2% -11,4% -11,5% -11,6% -11,4% I mpp -7,8% -7,8% -9,2% -8,5% -8,3% V mpp -3,6% -3,8% -2,4% -3,3% -3,3% η 1,6% 1,6% 1,6% 1,6% 1,6% T c 51,3 51,4 51,7 52, 51,6 C Misure lato DC con inverter spento Efficienza in per unità 1,9,8,7,6,5,4,3,2,1 MPPT DC-AC Potenza AC (W) Efficienze del MPPT e del convertitore DC/AC

23 Gli impianti FV collaudati in potenza Scuola Elementare di Villar Pellice (TO) Potenza nominale: 1848 W p Campo fotovoltaico: 84 moduli in p-si (6 stringhe x 14 moduli in serie) Moduli: SHARP ND-22E1F da 22 W p Inverter: n.3 SOLARMAX 6S (2 stringhe per inverter) Azimut: -4 Inclinazione: 6 Specifiche elettriche ( STC ) Generatore fotovoltaico SHARP ND-22E1F 22 Wp 14 moduli in serie V mpp 29,2 V I mpp 7,54 A V oc 36,5 V I sc 8,2 A P mpp,22 kw η 13,4% ε (P ( mpp) -5% 1% N s 6 2 P nom 6,16 kw V nom stringhe in parallelo 48,8 V I nom 15,8 A 32 G = 973 W/m² Tc = 49 C 8 28 P stc (U) 7 Ricostruzione delle curve corrente-tensione (I-V), al momento della misura e in condizioni STC Corrente (A) I stc (U) I(U) P(U) Potenza (kw) Tensione (V)

24 Gli impianti FV collaudati in potenza Scuola Elementare di Villar Pellice (TO) Riepilogo dei risultati mercoledì 27 aprile 211 Condizioni sperimentali Prova1 Prova2 Prova3 Media T a 14,9 15,2 16, 15,4 C G W/m 2 P max 5,56 5,563 5,31 5,474 kw V Pmax 45,13 43,8 389,91 399,37 V V oc 59,9 55,61 499,55 55,2 V V Pmax /V oc,79,8,78,79 I Pmax 13,72 13,8 13,59 13,71 A I sc 14,68 14,87 14,6 14,72 A I Pmax /I sc,94,93,93,93 Fill Factor 74,3% 74,% 72,7% 73,6% Riporto alle condizioni standard ( STC ) P mpp 6,414 6,326 6,262 6,334 kw V mpp 423,29 42,91 411,24 418,48 V I mpp 15,15 15,3 15,23 15,14 A Altri parametri Sottocampo Inverter SOLARMAX 6S n. 3 Scarto 4,1% 2,7% 1,6% 2,8% I mpp,5% -,3% 1,%,4% V mpp 3,5% 3,%,6% 2,4% η 14,% 13,8% 13,6% 13,8% T c 34,4 36,3 37,5 36,1 C Misure lato DC con inverter spento Efficienza in per unità 1,9,8,7,6,5,4,3,2,1 MPPT DC-AC 1 1,6 2,2 2,8 3,4 4 4,6 5,2 5,8 Potenza AC (kw) Efficienze del MPPT e del convertitore DC/AC