Preventivi e realizzazione impianti fotovoltaici a Castel Ritaldi, Perugia, Umbria
Fotovoltaico Perugia, Umbria Concetti Chiave
Inverter fotovoltaico
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L'inverter fotovoltaico è un dispositivo elettronico avente la funzione di convertire la corrente continua in alternata.
L'inverter è un sotto-sistema dell'impianto fotovoltaico che necessita di numerosi componenti aggiuntivi per poter operare in maniera efficiente e sicura: (1) cavi speciali di grande sezione, per il collegamento con la batteria, che si rendono indispensabili a causa dell'elevata corrente circolante, per ovviare il rischio di incendi e sfruttamento parziale delle potenzialità dell'apparecchio; (2) protezione contro le sovracorrenti continue in ingresso, grazie a fusibili o ad altri dispositivi in grado di interrompere il circuito; (3) uno shunt, cioè una resistenza posta sul polo negativo del circuito a corrente continua che va alle batterie, che permette di misurare la corrente che fluisce tra le batterie e l'inverter; (4) protezione contro le sovracorrenti alternate in uscita, poiché se l'interruttore generale dei carichi in alternata è vicino all'inverter esso fungerà anche da protezione contro tali sovracorrenti, altrimenti occorrerà installare un interruttore apposito.
Nel caso degli impianti fotovoltaici esso deve convertire la corrente continua prodotta dai moduli fotovoltaici in corrente alternata da immettere nella rete elettrica. Negli impianti fotovoltaici gli inverter sono caratterizzati da particolari software ed hardware dedicati esclusivamente all’estrazione della massima potenza dai pannelli in qualsiasi condizione meteorologica. In tempo reale riescono a inseguire il punto di potenza massima del pannello (MPPT: Maximum Power Point Tracker) ossia un punto di lavoro nelle curve caratteristiche di tensione vs corrente del modulo fotovoltaico dove è possibile avere il massimo rendimento del modulo stesso. Tale punto non è fisso ma variabile in funzione del livello di radiazione solare che investe le celle fotovoltaiche, pertanto un buon inverter deve seguire l’MPPT in modo da estrarre sempre la massima potenza. Un fattore essenziale è la velocità con cui l’inverter segue l’MPPT, l’immediatezza con cui insegue le variazione del punto in funzione delle variazioni della radiazione. Mentre quasi tutti i produttori di inverter riescono ad ottenere una precisione del 99.0 – 99.6% (della massima disponibile) sull'individuazione del MPPT, solo in pochi riescono ad unire precisione a velocità.
Esistono inverter fotovoltaici dotati di stadi di potenza modulari, ed alcuni sono dotati di un MPPT per ogni stadio di potenza. In tal modo si lascia all'ingegneria di sistema la libertà di configurare un funzionamento master/slave oppure a MPPT indipendenti. L'utilizzo di MPPT indipendenti fornisce un vantaggio oggettivo in condizioni di irraggiamento non uniforme dei pannelli. Infatti spesso la superficie dei pannelli solari risulta esposta al sole in modo difforme su tutto il campo fotovoltaico. In questo caso l'utilizzo di un solo MPPT (--Leggi di Più--)porterebbe l'inverter a lavorare fuori dal punto di massima potenza con riduzione della produzione totale di energia elettrica.
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Le Stringhe Fotovoltaiche
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In generale non è possibile installare tutti i moduli fotovoltaici in un solo sistema connesso in serie. In un impianto fotovoltaico i pannelli solari vengono disposti in stringhe Fotovoltaiche. Le stringhe fotovoltaiche sono dei sub impianti in cui i moduli fotovoltaici vengono collegati in serie cioè uno dopo l'altro. La serie, è una configurazione degli elementi elettrici, dai pannelli, alle resistenze ai diodi e quant'altro, in cui il polo positivo di un elemento è connesso con il polo negativo dell'altro. Un altro modo per collegare i pannelli o più spesso le stringhe di pannelli è in configurazione parallela (vedi figura).
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Serie |
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Parallelo |
Il numero di pannelli per stringa dipende dalle caratteristiche dell'inverter che si vuole installare ma più oculatamente sia il numero di pannelli che il numero di stringhe viene determinato in funzione della condizione specifica del luogo dove si deve intallare l'impianto fotovoltatico. Ad esempio se si deve installare un impianto fotovoltaico su più falde con diverse orientazioni è sempre buona norma dividere l'impianto in un numero di stringhe pari al numero di falde. Per ogni stringa si deciderà il numero di pannelli in funzione delle caratteristiche di accettazione dell' MPP dell'inverter (Leggi di Più). Suddiviso l'impianto in stringhe ognuna di queste puo essere connessa ad un inverter con più MPPT o su più inverter. E' buona norma installare, in un impianto fotovotlaico, il numero minimo di inverter perchè ognuno di questi diminuirà di una certa quantità l'efficienza dell'impianto, per ragioni economiche e per ragioni relative alla manutenzione.
Il numero di pannelli per ogni stringa va determinato in funzione dello:
1) Spazio a disposizione
2) Ottimizzazione degli spazi nella direzione geografica verso sud
3) Caratteristiche dell'inverter in relazione alla tensione di ingresso in continua minima e massima (eventualmente cambiando tipo di inverter se ve ne è la necessità)
Così considerando definiti i primi due punti se un inverter può accettare fino a 500 Vdc, sarà possibile intallare al più un numero di moduli (che per esempio hanno una Voc massima di 30 V) per stringa pari ad un numero intero di moduli dato da
N = 500/30= 16 moduli (30 Vdc corrisponde alla Voc massima del modulo considerando anche che essa è massima alla minima temperatura registrabile nel sito ove l'impianto fotovoltaico viene installato).
Questi conti dovrebbero essere eseguiti dal progettista. Purtroppo, ad oggi molti si improvvisano conoscitori di elettronica, delle condizioni ambientali, e dei dispositivi per la costruzioni di impianti fotovoltaici e il risultato è spesso un impianto fotovoltaico non adatto o mal progettato. Esistono da tempo dei software che fanno il calcolo per noi, ma non sapendo le basi teoriche spesso questi calcoli forniti dai software vengono dimenticati.
Il pannello solare fotovoltaico
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Perchè un pannello solare fotovoltaico produce corrente e quindi una potenza elettrica utilizzabile?
Alcuni materiali come il silicio possono produrre energia elettrica se irraggiati dalla luce solare. Una caratteristica fisica che ha consentito negli anni '50 la realizzazione della prima cella fotovoltaica della storia. Lo stesso nome pannello fotovoltaico esprime in sè tutto il significato della scoperta, "foto" deriva da "luce", "voltaico" deriva da Alessandro Volta, inventore della batteria.
Le celle fotovoltaiche collegate tra loro formano un pannello fotovoltaico, un insieme di pannelli fotovoltaici compone il generatore solare fotovoltaico da installare sui tetti, terreni o terrazzi, ovunque ci sia un irragiamento diretto dei raggi solari. I pannelli fotovoltaici e gli impianti fotovoltaici stanno ottenendo rapidamente il favore di consumatori e famiglie.
Il vantaggio è evidente, investendo in un impianto fotovoltaico si abbatte il costo dell'energia elettrica per almeno 25-30 anni grazie alla produzione in proprio di energia (--leggi tutto--). In Italia con il Conto Energia (--leggi tutto--) e gli incentivi GSE 2012 per impianti di piccole dimensioni (--leggi tutto--) o medie (--leggi tutto--), i proprietari dei pannelli solari fotovoltaici rivendono l'energia prodotta alle società elettriche e acquisiscono gli incentivi ottenendo in cambio un reddito aggiuntivo che fa del fotovoltaico un investimento economicamente valido oltre che un investimento in ecosostenibilità.
Il pannello fotovoltaico è costituito dalle celle. La cella fotovoltaica in condizioni standard di riferimento (irraggiamento pari a 1000 W/m2 e temperatura pari a 25°C) produce ai sui capi una tensione di 0,5 V. La corrente continua erogata è circa 3 Ampere (A) e la potenza di picco che viene generata in questo caso è di 1.5 Watt (W) dato che la potenza si ricava dal prodotto della correte e della tensione (P = V x I = 0,5 x 3 = 1.5 Watt).
Il pannello fotovoltaico verrà quindi costituito da più celle connesse in serie che verranno montati sulla medesima struttura di sostegno. Ogni pannello fotovoltaico quindi avrà una potenza nominale dettata dal numero e qualità di celle impiegate. Così i pannelli fotovoltaici composti da 60 celle produrranno una differenza di potenziale (tensione continua) circa 0.5 x 60 = 35 Volt. Più pannelli fotovoltaici, come detto, compongono il nostro generatore o impianto fotovoltaico. Per fare rendere al meglio l'impianto fotovoltaico ossia ottimizzare la conversione dell'energia solare in energia elettrica occorrerà orientare al meglio i nostri pannelli fotovoltaici: l'orientamente in senso longitudinale migliore è quello verso il SUD GEOGRAFICO in modo da beneficiare del maggior numero di ore, mentre in senso verticale avremo un angolo di inclinazione rispetto al piano orizzontale (terreno ), denominato TILT che sarà ottimale intorno ai 33°. questa inclinazione garantirà la migliore incidenza dei raggi sui pannelli lungo tutto il periodo annuale. L' angolo inclinazione rispetto al terreno (angolo di tilt) è all'incirca pari alla latitudine del sito (--Leggi di Più--).
L'impianto Fotovoltaico
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Un impianto fotovoltaico è un insieme di pannelli solari fotovoltaici costituiti da un insieme di moduli fotovoltaici collegati in modo da ottenere i valori di potenza e tensione desiderati. I moduli sono costituiti da un insieme di celle di silicio. Anni fa i pannelli fotovoltaici erano costituiti da 36 celle di silicio monocristallino o policristallino, oggigiorno i pannelli fotovoltaici arrivano a 96 celle di silicio mono e poli- cristallino.
I moduli fotovoltaici hanno oramai tolleranza positiva, che vuol dire che possono produrre, in fase dinamica, una potenza maggiore o uguale alla potenza dichiarata per il pannello. Un insieme di pannelli, collegati elettricamente in serie costituisce una stringa (--Leggi di più--). Più stringhe, collegate generalmente in parallelo, per fornire la potenza richiesta, costituiscono il generatore fotovoltaico.
Il rendimento del modulo fotovoltaico dipende da una serie di fattori quali l’irraggiamento, la composizione spettrale della luce incidente, la temperatura di esercizio dei materiali, il loro rendimento, la tolleranza. Per motivi costruttivi, il rendimento dei moduli fotovoltaici è in genere inferiore o uguale al rendimento della loro peggior cella. Con rendimento si intende la percentuale di energia captata e trasformata rispetto a quella totale giunta sulla superficie del modulo; è quindi proporzionale al rapporto tra Watt erogati e superficie occupata, ferme restando tutte le altre condizioni. Valori tipici riscontrabili nei comuni prodotti commerciali a base silicea si attestano intorno al:
- 14-17% nei moduli in silicio monocristallino;
- 13-16% nei moduli in silicio policristallino;
- 6-8% nei moduli in silicio amorfo.
Ne consegue che ad esempio a parità di produzione elettrica richiesta, la superficie occupata da un campo fotovoltaico amorfo sarà più che doppia rispetto ad un equivalente campo fotovoltaico cristallino. A causa del naturale affaticamento dei materiali, le prestazioni di un pannello fotovoltaico comune diminuiscono di circa un punto percentuale su base annua. Per garantire la qualità dei materiali impiegati, la normativa obbliga una garanzia di minimo due anni sui difetti di fabbricazione anche sul calo di rendimento del silicio nel tempo, questa arriva minimo 20 anni. La garanzia oggi nei moduli di buona qualità è del 90% sul nominale per 10 anni e dell'80% sul nominale per 25 anni.
I moduli fotovoltaici odierni hanno una vita stimata di 80 anni circa, anche se è plausibile ipotizzare che vengano dismessi dopo un ciclo di vita di 35-40 anni, a causa della perdita di potenza dei moduli e del miglioramento tecnologico dei nuovi prodotti.
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| Pannello fotovoltaico monoscristallino | Pannello fotovoltaico policristallino |
Ogni cella fotovoltaica viene cablata in superficie con una griglia di materiale conduttore che ne canalizzi gli elettroni. Ogni singola cella viene connessa alle altre mediante ribbon metallici (busbar) che attraversando la cella formano opportune serie e paralleli elettrici:
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I busbar hanno il compito di canalizzare gli elettroni generati dal modulo per effetto fotovoltaico a seguito dell’irragiamento solare della cella.
La cella fotovoltaica
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La cella fotovoltaica è l’elemento alla base del modulo fotovoltaico e dell'impianto fotovoltaico; alla cella fotovoltaica spetta il compito di convertire l’energia proveniente dal sole in energia elettrica.
Ciò avviene quando il fotone assorbito dal materiale semiconduttore (silicio) riesce a trasferire l’energia sufficiente all’elettrone per farlo passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Il processo avviene all’interno di una sottile lamina di materiale semiconduttore che quasi nella totalità dei casi è silicio.
La cella fotovoltaica di silicio può essere di tipo monocristallino in cui la struttura cristallina risulta omogenea ed opportunamente drogata in modo da realizzare una giunzione p-n; il rendimento arriva al 16% e il colore risulta scuro, vicino al nero.
La cella fotovoltaica di tipo policristallino possiede una struttura del wafer di silicio non omogenea ma comunque i grani di silicio sono organizzati in configurazione ordinata. Questa configurazione generalmente si ottiene dagli scarti da componenti elettronici dopo aver rifuso il silicio per ottenere una composizione cristallina compatta.
Le celle in policristallino hanno un rendimento del 12% - 14%, si presentano con un colore blu intenso.
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| Cella Policristallina | Cella Monocristallina |
Esiste anche la struttura del silicio non cristallino, ad esempio il silicio amorfo in cui la deposizione del silicio sulla superficie di sostegno avviene in maniera disorganizzata (amorfa). La percentuale di silicio depositato risulta inferiore rispetto al caso delle strutture cristalline, per cui il costo di questa tipologia di celle risulta inferiore sebbene le efficienze siano minori (ordine del 6 % - 7%) e non costanti rispetto al valore nominale.
Le celle al tellururo di cadmio e solfuro di cadmio sono ottenute per deposizione su film metallici attraverso una tecnica che spruzza letteralmente il silicio su tale superficie. La tecnologia risulta a basso costo dato che non richiede alte temperature di rifusione del silicio; di contro ha gli svantaggi della tossicità del cadmio e il basso rendimento della cella. Altissimi rendimenti (circa 40%) sono propri delle celle composte dalla lega binaria arseniuro di gallio, la quale viene spesso utilizzata in applicazioni militari e scientifiche; di rado viene utilizzata in altre applicazioni a causa del costo molto elevato della cella.