Seminario sulla te cnologia solare fotovoltaica Ing. Giovanni Pisu Parte 2 I co mponenti fondamentali di un impianto fotovoltaico 1 1
Sommario: Seminario sulla tecnologia solare fotovoltaica - 2 Parte Ing. Giovanni Pisu 1) Normativa di riferimento del settore 2) 3) Progetto di un impianto fotovoltaico ( dalla teoria alla pratica ) 4) Esempi di Impianti fotovoltaici progettati e realizzati 2 2
I componenti fondamentali di un impianto Fotovoltaico Premessa Il generatore fotovoltaico Collegando in serie-parallelo un insieme opportuno di moduli si ottiene un generatore o un campo fotovoltaico, con le caratteristiche desiderate di corrente e tensione di lavoro. I suoi parametri elettrici principali sono la potenza nominale, che è la potenza erogata dal generatore in condizioni nominali standard (irraggiamento di 1000 W/m2 e temperatura dei moduli di 25 C) e la tensione nominale, tensione alla quale viene erogata la potenza nominale. 3 3
I componenti fondamentali di un impianto Fotovoltaico Il generatore fotovoltaico I moduli o i pannelli sono montati su una struttura meccanica capace di sostenerli e ancorarli. Generalmente tale struttura è orientata in modo da massimizzare l' irragiamento solare. 4 4
I componenti fondamentali di un impianto Fotovoltaico Il generatore fotovoltaico 5 5
Il generatore fotovoltaico 6 6
Schema a blocchi di un Inverter Sezionatore DC Filtro DC (banco di condensatori elettrolitici) Inverter a IGBT, con controllo PW M Filtro AC (induttanza trifase + banco di condensatori) Trasformatore di isolamento (per P>20KW) Dispositivo di interfaccia 7 7
Schema a blocchi di un Inverter 8 8
Alcune considerazioni di base: La potenza disponibile in uscita al campo fotovoltaico, per sua natura, NON è direttamente utilizzabile per essere ceduta a una rete in corrente alternata. Occorre eseguire una 'conversione' DC-AC che consenta di: Trasformare la tensione in uscita al campo fotovoltaico in una tensione alternata (o una terna di tensioni, nel caso di rete trifase). Controllare la corrente (o una terna di correnti, nel caso di rete trifase) sul lato in alternata, in modo da generare un flusso di energia che va dal campo fotovoltaico (in C.C.) alla rete (in C.A.). 9 9
Scopo dell'inverter: Convertire in alternata la potenza in continua resa disponibile dal campo fotovoltaico. Massimizzare il trasferimento di potenza 'inseguendo' il punto di funzionamento ottimo del campo fotovoltaico. Iniettare la potenza prelevata dal campo fotovoltaico nella rete di distribuzione, mantenendo il fattore di potenza unitario nel punto di scambio. 10 10
L'inverter: principio di funzionamento (lato DC) La tensione sul bus DC deve essere compresa in un certo intervallo 11 11
Il sistema di condizionamento della potenza La variabilità di tensione e di corrente in uscita da un 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 e 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 controllo e condizionamento della potenza. Nei sistemi connessi alla rete il sistema di controllo della potenza converte la corrente prodotta dal generatore fotovoltaico da continua in alternata, l inverter, adatta la tensione del generatore a quella di rete effettuando l inseguimento del punto di massima potenza e, infine, controlla la qualità della potenza immessa in rete in termini di distorsione e rifasamento. 12 12
Inverter per Impianti fotovolatici Si tratta di un tipo particolare di inverter progettato espressamente per convertire l'energia elettrica sotto forma di corrente continua prodotta da modulo fotovoltaico, in corrente alternata da immettere direttamente nella rete elettrica. Queste macchine estendono la funzione base di un inverter generico con funzioni estremamente sofisticate e all'avanguardia, mediante l'impiego di particolari sistemi di controllo software e hardware che consentono di estrarre dai pannelli solari la massima potenza disponibile in qualsiasi condizione meteorologica. Questa funzione prende il nome di MPPT, un acronimo di origine Inglese che sta per Maximum Power Point Tracker. 13 13
Inverter per Impianti fotovolatici Le caratteristiche generali che deve avere l inverter, compatibilmente con la funzione a cui è preposto riguardano la potenza nominale, il rendimento e la tipologia. Generalmente, per impianti collegati alla rete vengono usati inverter del tipo a commutazione forzata con tecnica PWM (modulazione a larghezza di impulso) senza riferimenti interni ovvero assimilabili a sistemi non idonei a sostenere la tensione in assenza di rete. Inoltre, l inverter deve rispondere alle norme generali su EMC (compatibilità elettromagnetica) e limitazione delle emissioni RF (radio frequenza). I parametri di ingresso dell inverter devono essere compatibili con quelli del generatore fotovoltaico in termini di finestra di tensione operativa, ripple lato dc, poli isolati da terra e isolamento tra lato corrente continua e alternata 14 14
Inverter per Impianti fotovolatici Le caratteristiche di uscita dell inverter riguardano essenzialmente il valore della tensione e della frequenza di uscita, la distorsione armonica, il controllo del fattore di potenza e la presenza o meno delle protezioni di massima e minima tensione e frequenza. In generale possiamo affermare che un inverter per impianti fotovoltaici connessi in rete si può suddividere in due blocchi. Un primo blocco costituito da un convertitore dc/dc che andra a realizzare il cosidetto MPPT, ed un secondo blocco costituito da un convertitore dc/ac basato su logica PWM che interfaccierà il sistema in rete. 15 15
Convertitori DC/DC (MPPT) I moduli fotovoltaici, hanno una curva caratteristica V/I tale che esiste un punto di lavoro ottimale, detto appunto Maximum Power Point, dove è possibile estrarre tutta la potenza disponibile. Questo punto della caratteristica varia continuamente in funzione del livello di radiazione solare e della temperatura che colpisce la superficie delle celle. È evidente che un inverter in grado di restare "agganciato" a questo punto, otterrà sempre la massima potenza disponibile in qualsiasi condizione. Ci sono svariate tecniche di realizzazione della funzione MPPT, che si differenziano per prestazioni dinamiche (tempo di assestamento) e accuratezza. Sebbene la precisione dell'mppt sia estremamente importante, il tempo di assestamento lo è, in taluni casi, ancor più. Mentre tutti i produttori di inverter riescono ad ottenere grande precisione sull'mppt (tipicamente tra il 99-99,6% della massima disponibile), solo in pochi riescono ad unire precisione a velocità. 16 16
Convertitori DC/DC (MPPT) 17 17
Convertitori DC/DC (MPPT) 18 18
Convertitori DC/DC (MPPT) Il controllo dell'inverter esegue un algoritmo di MPPT (maximum power point tracking) per ottimizzare il trasferimento di potenza. 19 19
Convertitori DC/DC (MPPT) Nelle giornate con nuvolosità variabile si verificano sbalzi di potenza solare ampi e repentini. È molto comune rilevare variazioni da 100W/m² a 1000-1200W/m² in meno di 2 secondi. In queste condizioni, che sono molto frequenti, un inverter con tempi di assestamento minori di 5 secondi riesce a produrre fino al 15%-20% di energia in più di uno lento. Alcuni inverter fotovoltaici sono dotati di stadi di potenza modulari, e alcuni sono addirittura dotati di un MPPT per ogni stadio di potenza. In questo modo i produttori lasciano all'ingegneria di sistema la libertà di configurare un funzionamento master/slave o a MPPT indipendenti. 20 20
Convertitori DC/DC (MPPT) In genere l'impiego di MPPT separati fa perdere qualche punto percentuale di rendimento elettrico medio della macchina, che è costretta a funzionare a pieno regime anche con irraggiamento scarso. Tuttavia non è infrequente che la superficie dei pannelli solari non possa essere esposta al sole uniformemente su tutto il campo perché disposto su due diverse falde del tetto, oppure che i moduli non possano essere distribuiti su stringhe di uguale lunghezza. In questo caso l'utilizzo di un solo MPPT porterebbe l'inverter a lavorare fuori dal punto di massima potenza e conseguentemente la produzione di energia ne sarebbe danneggiata. 21 21
Convertitori DC/AC Quando in un impianto FV si alimentano carichi in corrente alternata (AC), è necessario impiegare i convertitori DC/AC o inverter: i più impiegati sono VSI (Voltage Source Inverter) a transistor. Si distinguono due categorie di inverter a seconda del tipo di impianto in cui sono inseriti, ossia autonomo o connesso a rete. 22 22
Convertitori DC/AC In genere, gli inverter sinusoidali sono controllati con la tecnica della modulazione della larghezza di impulso ("Pulse Width Modulation", PWM): tale tecnica si basa sul confronto tra una f.d.o. triangolare e una sinusoidale per generare il segnale di comando dei transistor. 23 23
Convertitori DC/AC 24 24
Componenti principali dell'inverter L'inverter è realizzato come ponte (trifase o monofase) a IGBT ('insulated gate bipolar transistor). Il controllo dell'inverter è implementato mediante microcontrollore, che esegue un algoritmo di regolazione numerica e genera i segnali di controllo PWM dei semiconduttori di potenza. Il filtro d'uscita, di tipo LC, filtra le componenti di corrente ad alta frequenza della PWM, in modo da iniettare in rete solo la componente fondamentale (sinusoide a 50Hz). 25 25
Componenti principali dell'inverter Trasformatore di separazione galvanica: Obbligatorio a frequenza industriale (50Hz), per potenze superiori a 20KW (DK5940). Isola elettricamente il bus DC dalla rete, impedendo l'iniezione di corrente continua. 26 26
Componenti principali dell'inverter Dispositivo di interfaccia: Normalmente implementato come contattore o interruttore automatico. Interviene durante un guasto della rete di distribuzione, isolando l'inverter dalla rete. E pilotato da una logica (protezione di interfaccia) che rileva il guasto mediante misura di tensione e frequenza. Puo' essere interno all'inverter (P<20KW) o esterno (rélé dedicato). 27 27
Componenti principali dell'inverter DC bus: Costituito da condensatori elettrolitici per assorbire il 'ripple' generato dalla commutazione. Sezionatore: Normalmente la tensione massima sul bus è minore di 600-700V, perchè dispositivi di interruzione a tensioni superiori implicano costi elevati. 28 28
Componenti principali dell'inverter PWM La modulazione a larghezza di impulso è largamente utilizzata anche per regolare la potenza elettrica inviata ad un carico, per esempio negli inverter, per regolare la velocità dei motori in corrente continua e per variare la luminosità delle lampadine. Come si può intuire, con un duty cycle pari a zero la potenza trasferita è nulla, mentre al 100% la potenza corrisponde al valore massimo trasferito nel caso non sia presente il circuito di modulazione. Ogni valore intermedio determina una corrispondente fornitura di potenza. 29 29
Componenti principali dell'inverter PWM La modulazione a larghezza di impulso è largamente utilizzata anche per regolare la potenza elettrica inviata ad un carico, per esempio negli inverter, per regolare la velocità dei motori in corrente continua e per variare la luminosità delle lampadine. Come si può intuire, con un duty cycle pari a zero la potenza trasferita è nulla, mentre al 100% la potenza corrisponde al valore massimo trasferito nel caso non sia presente il circuito di modulazione. Ogni valore intermedio determina una corrispondente fornitura di potenza. 30 30
Parametri di merito nella scelta dell'inverter Rendimento: Variabile in funzione del carico Rendimento di picco normalmente >94%. Macchine ad alta efficienza, possono raggiungere e superare il 96%. Ha Impatto sulla redditività dell impianto 31 31
Parametri di merito nella scelta dell'inverter Affidabilità: Tecnologia statica : minimizza la necessità di sostituzione periodica di componenti. Gli unici componenti soggetti a sostituzione peridodica sono ventilatori e condensatori. Modularità: Gamma di potenze completa consente flessibilità nella scelta e personalizzazione dell'impianto Monofase (fino a 6kWp) Trifase (da 10kWp a 500kWp) 32 32
Parametri di merito nella scelta dell'inverter Interconnettività Possibilità di connettere l'inverter a un'unità di supervisione o in rete, con vari protocolli (es. Modbus RTU) e link fisici. SW di monitoraggio dei principali parametri di produttività (potenza, energia prodotta, CO2 non immessa, ecc.). Possibilità di monitorare l'inverter via web mediante browser. 33 33
Parametri di merito nella scelta dell'inverter Costo: Il costo dell'inverter pesa circa per il 13% sul costo complessivo dell'impianto connesso a rete. Il suo costo iniziale rappresenta un investimento su: Produttività Affidabilità Durata 34 34
Parametri di merito nella scelta dell'inverter Omologazione: I principali produttori di inverter garantiscono la rispondenza della macchina all'omologazione DK5940, che consente la connessione alla rete secondo le specifiche del gestore. 35 35
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Principali norme di riferimento CEI EN 11-20 CEI EN 61000-3-11 CEI EN 61000-3-12 DK 5940 (DK 5740 M.T.) Guida CEI 82-25 37 37
Assessorato Amb iente Ing. Giovanni Pisu giovannipisu74@hotmail.com Grazie a tutti per la cortese attenzione! 38 38