Modulo di impianti fotovoltaici per Istituti Tecnici Industriali ad indirizzo Elettrotecnico Concetti di base sulla natura, la tecnologia ed il dimensionamento di un impianto fotovoltaico Prof. Ing. Cristanello Stefano

ANNI

1353 W/m W/m 2 A causa dell’andamento aleatorio delle condizioni atmosferiche non è possibile predire il valore dell’irraggiamento solare incidente in una determinata località. Quello che si conosce sono invece i dati storici di radiazione solare mediati in un periodo di tempo che va dai 5 ai 10 anni.

In Italia, la disponibilità di radiazione solare globale (diretta + diffusa) sul piano orizzontale varia dai 1400kWh/m 2 all’anno nella pianura Padana ai circa 1700kWh/m 2 nelle regioni meridionali,

 il processo termodinamico, che consiste nella trasformazione della radiazione solare in energia termica (con opportuni concentratori dei raggi solari), quindi in energia meccanica e infine in elettrica mediante turbina ed alternatore;  il processo fotovoltaico, che consiste nella trasformazione diretta della radiazione solare in energia elettrica tramite l’effetto fotovoltaico.

Il Solare Termico è una tecnologia che permette la conversione diretta dell'energia solare in energia termica per la produzione di acqua calda.

L’effetto fotovoltaico consente di trasformare l'energia solare in energia elettrica in modo diretto, silenzioso e senza alcun organo meccanico in movimento. Materiale di base: SILICIO I fotoni presenti nella radiazione luminosa «staccano» gli elettroni dagli atomi di silicio. Il campo elettrico spinge gli elettroni in una direzione, lasciando dall’altra parte un eccesso di cariche positive: si genera quindi una tensione. Il passaggio di corrente si ottiene chiudendo il circuito elettrico.

Si vede che l’energia solare convertibile teoricamente in energia elettrica è pari al 44% Solo una parte dello spettro solare a livello del suolo risulta utile per la conversione fotovoltaica

In realtà l’efficienza di una cella non supera il 17% non solo perché una parte dei fotoni non ha energia sufficiente, ma anche perché:  Non tutti i fotoni incidenti sulla cella penetrano al suo interno (riflessione)  Effetto di ricombinazione  Resistenze parassite

 Impianti fotovoltaici per l'alimentazione di utenze isolate  Impianti ibridi fotovoltaico-eolico-diesel per l'alimentazione di piccole reti di utentedi utenze isolate  Tetti e facciate fotovoltaiche  Centrali fotovoltaiche

Il materiale più comunemente adoperato è il silicio nelle seguenti forme:  Monocristallino (  :13-17%)  Policristallino (  :8-12%)  Amorfo (  :6-8%) NB: sono in fase di studio altre tecnologie con rendimenti che raggiungono il 30%, ma sono tuttora ancora troppo costose

Più celle, connesse in serie/parallelo e incapsulate tra un foglio di plastica e una lastra di vetro, formano il modulo fotovoltaico. Un modulo formato da 48 celle da 150x150mm 2 ha una superficie di 1,3m 2 ed eroga, in condizioni standard (STC), circa 170Wp. Esistono in commercio anche moduli da 300Wp. Un insieme di moduli, connessi elettricamente tra loro, costituisce il campo fotovoltaico che, insieme ad altri componenti strutturali, elettrici ed elettronici, consente di realizzare il generatore fotovoltaico.

Nella condizione di ombreggiamento, la performance della stringa è penalizzata in quanto si interrompe o si riduce il flusso della corrente in tutte le altre celle. In casi estremi la corrente si può anche azzerare. Si può evitare tale inconveniente applicando un diodo anti-parallelo ad un adeguato numero di celle, nella direzione della corrente diretta, al fine di permettere alla corrente del modulo di by- passare la cella eventualmente in ombra.

Pannelli fotovoltaici codice: SANYO HIP-200NHE1 Dimensioni :1570x798x35 mm Peso : 17 kg Dimensioni delle celle : 130 x 130 mm Tipo di celle : silicio monocristallino Numero di celle :72 Potenza nominale: 200 Wp Tensione con potenza massima : 40 V Intensità con potenza massima : 5 A Diodo di protezione : 2 by-pass Tensione di circuito aperto (25°C): 49,6 Volt Coeff di tensione : -0,13 V/°C Intensità di cortocircuito : 10,14 Ampere Temperatura ammessa : -40 / +85 °C Garanzia : 12 anni sui difetti di fabbrica, 25 anni sulla resa energetica con massimo decadimento del 20%

La radiazione diretta ricevuta da una superficie inclinata cambia con l’orientamento della superficie stessa La perdita di producibilità risulta trascurabile per inclinazioni con angolo (tilt)  ±30%.

E’ possibile aumentare la produzione di energia elettrica variando automaticamente durante il giorno l’orientamento dei moduli (sistemi ad inseguimento solare). Vantaggi: Aumento della producibilità del 25% per sistemi ad un asse. (orientamento da est ad ovest). Aumento della producibilità dal 30% al 35% per sistemi a due assi (est-ovest ed inclinazione). Svantaggi: Maggior costo di installazione. Manutenzione ordinaria. I sistemi ad inseguimento richiedono inoltre una maggiore superficie lorda al fine da evitare l’ombreggiamento tra le strutture in movimento.

L’inverter ha lo scopo di trasformare l’energia elettrica da una forma d’onda continua ad una forma d’onda alternata (monofase o trifase) rigorosamente alla tensione ed alla frequenza di rete. Maximum Power Point Tracker La caratteristica tensione/corrente di un modulo varia continuamente in funzione del livello di radiazione solare. La funzione che permette di estrarre dai moduli la massima potenza disponibile prende il nome di MPPT (Maximum Power Point Tracker).

Raramente un impianto fotovoltaico funziona alla massima potenza. Il numero di ore di funzionamento alla massima potenza nell’arco di un anno è all’incirca 3-5%. E’ quindi preferibile sottodimensionare l’inverter prediligendo il risparmio economico rispetto alla mancata produzione massima nelle ore di punta. E’ possibile ridurre la potenza dell’inverter fino del 20% (80%P FV )

Marca: Sunny Boy Dati d’ingresso Potenza CC max. (PCC, max) Tensione CC max. (UCC, max) Range di tensione FV, MPPT (UMPP) Corrente d’ingresso (IFV, max) Ripple di tensione CC (UPP) Numero max. stringhe (parallele) Monitoraggio della dispersione a terra Protezione contro l’inversione della polarità Dati d’uscita Potenza CA max. (PCA, max) Potenza nominale CA (PCA, nom.) Fattore di distorsione della corrente di rete Tensione nominale CA (UCA, nom) Frequenza nominale CA (fCA, nom.) Fattore di potenza (cos ϕ ) Resistenza ai cortocircuiti Collegamento alla rete Grado di rendimento Grado di rendimento max. Rendimento europeo Tipo di protezione secondo DIN EN Peso SB W 400 V 139 V – 400 V 10 A < 10 % 2 sì Diodo 1100 W 1000 W < 4 % 220 V – 240 V 50 HZ / 60 Hz 1 sì a spina CA 93 % 91,6 % IP65 22 kg SB W 400 V 139 V – 400 V 12,6 A < 10 % 2 sì Diodo 1700 W 1550 W < 4 % 220 V – 240 V 50 Hz / 60 Hz 1 sì a spina CA 93,5 % 91,8 % IP65 25 kg SB W 600 V 224 V – 600 V 12 A < 10 % 3 sì Diodo 2500 W 2300 W < 4 % 220 V – 240 V 50 Hz / 60 Hz 1 sì a spina CA 94,1 % 93,2 % IP65 30 kg SB W 600 V 268 V – 600 V 12 A < 10 % 3 sì Diodo 3000 W 2750 W < 4 % 220 V – 240 V 50 HZ / 60 Hz 1 sì a spina CA 95,0 % 93,6 % IP65 32 kg

Dipende da:  valori della radiazione solare incidente nel sito di installazione  efficienza dei moduli fotovoltaici  efficienza del resto dell’impianto (BOS)  altri parametri: inclinazione rispetto a sud sistemi di inseguimento solare ombreggiamenti sistematici temperatura di funzionamento

 Pannelli fotovoltaici (generatore)  Inverter  Cavi di collegamento

 Superficie lorda: 1,25m 2  Sup. netta (sup. attiva): 0,9x1,25 = 1,2m 2  Efficienza pannello: 0,2/1,25 = 0,16 kW p /m 2  Efficienza cella: 0,2/1,2 = 0,166 kW p /m 2  Rendimento pannello: 0,16kW p /1kW solare = 0,16  Tensione massima (-10°C): 49,6+(-0,13x(-10-25))=54,15V  Tensione minima (+70°C): 49,6+(-0,13x(70-25))=43,75V  Area occupata da 1 kW p installato: 1,25/0,2=6,25 m 2 /kW p

Materiale della cella Efficienza del modiulo Superficie moduli FV Energia annua captata [kWh] (nord Italia) Ideale100%1 m Monocristallino11-16%6-9 m Policristallino10-14%8-9 m Film sottile (amorfo) in diseleniuro di rame e indio 6-8%11-13 m Amorfo4-7%16-20 m

 Decreto Ministeriale: DM 05/07/12  Regola, a partire dal 27/08/2012 e fino al raggiungimento di un costo indicativo cumulato di 6,7 miliardi di euro l’anno, gli incentivi per la produzione di energia elettrica da impianti fotovoltaici.

 Su edificio  Altri impianti: pergole, serre, barriere acustiche, tettoie e pensiline Tipologia di installazioneRequisiti richiesti Moduli fotovoltaici installati su tetti piani ovvero su coperture con pendenze fino a 5°. Qualora sia presente una balaustra perimetrale, la quota massima, riferita all’asse mediano dei moduli fotovoltaici, deve risultare non superiore all’altezza minima della stessa balaustra. Qualora non sia presente una balaustra perimetrale l’altezza massima dei moduli rispetto al piano non deve superare i 30 cm Moduli fotovoltaici installati su tetti a falda.I moduli devono essere installati in modo complanare alla superficie del tetto con o senza sostituzione della medesima superficie. Moduli fotovoltaici installati su tetti aventi caratteristiche diverse da quelli di cui ai punti 1 e 2. I moduli devono essere installati in modo complanare al piano tangente o ai piani tangenti del tetto, con una tolleranza di più o meno 10 gradi. Moduli fotovoltaici installati in qualità di frangisole. I moduli sono collegati alla facciata al fine di produrre ombreggiamento e schermatura di superfici trasparenti.

SemestreIIIIIIIVV Potenza [kW] OPOPOPOPOP 1-30,2080,1260,1820,1000,1570,0750,1440,0620,1330, ,1960,1140,1710,0890,1490,0670,1370,550,1280, ,1750,0930,1570,0750,1490,0670,1310,0490,1220, ,1420,0600,1300,0480,1180,0360,1110,0290,1060, ,1260,0440,1180,0360,1100,0280,1050,0230,1000,018 >50000,1190,0370,1120,0300,1040,0220,0990,0170,0950,013 I semestre: Sett 2012 – Feb 2013; II semestre: Mar 2013 – Ago 2013; III semestre: Sett 2013 – Feb 2014; IV semestre: Mar 2014 – Ago 2014; V semestre: Sett 2014 – Feb Durata: 20 anni dalla messa in servizio (allaccio contattori) E’ la somma di: Tariffa omnicomprensiva (O): energia prodotta e immessa in rete Tariffa premio (P): energia prodotta e consumata in sito

I bonus aumentano il prezzo sia della tariffa omnicomprensiva che quella incentivante Esistono due tipologie di bonus:  «Prodotto europeo»:  sostituzione amianto

 impianti con componenti principali realizzati unicamente all’interno di un Paese che risulti membro dell’UE/SEE  rispetto dei seguenti requisiti: moduli fotovoltaici è stato rilasciato l’attestato di controllo del processo produttivo in fabbrica (Factory Inspection Attestation) come indicata nella Guida CEI Inverter: è stato rilasciato, da un ente di certificazione accreditato EN per le prove su tali componenti, l’attestato di controllo del processo produttivo in fabbrica ai fini dell’identificazione dell’origine del prodotto Bonus prodotto europeo Impianto in esercizio entro il 31 dicembre 20130,02 €/kWh Impianto in esercizio entro il 31 dicembre 20140,01 €/kWh Impianto in esercizio dopo il 31 dicembre 20140,005 €/kWh

 Il bonus amianto Il bonus amianto è dovuto agli impianti fotovoltaici su edifici con moduli installati in sostituzione di coperture con totale rimozione dell’eternit o dell’amianto: il suo valore dipende dalla potenza dell’impianto e dalla data di entrata di esercizio dello stesso. Bonus prodotto amianto Entrata in esercizioP < 20 kWpP => 20 kWp entro il 31 dicembre 20130,03 €/kWh0,02 €/kWh entro il 31 dicembre 20140,02 €/kWh0,01 €/kWh dopo il 31 dicembre 20140,01 €/kWh0,005 €/kWh

 Dati di progetto: Dati cliente: ○ Consumo elettrico annuo W = 2500 kWh ○ Quota autoconsumata WA 40%W=2500*0,4=1000 kWh Prezzo di acquisto energia elettrica (ENEL) TA: 0,2 €/kWh Conto Energia (V): ○ Impianto <3kW; I semestre: Sett 2012 – Feb 2013 ○ Tariffa omnicomprensiva TO : 0,208 €/kWh ○ Tariffa premio TP: 0,126 €/kWh Posizione geografica: ○ Località: Verona ○ Irraggiamento annuo: 1400 kWh/m2 ○ Superficie disponibile verso sud: 25 m2 Costo impianto FV: 2700€/kWp (ottobre 2012)

 Rendimento orientativo (inverter, cavi, posa) : 0,8 - 0,85  Energia ottenuta da 1kWp di pannelli FV: 1400kWh  Energia netta ottenuta da un impianto completo (FV+inverter+cavi) della potenza di 1kWp : =1400kWh/kW p x 0,85=1200 kWh/kW p  Potenza impianto FV: 2500/1200=2,1kW p   scelta pannelli: FV (SANYO HIP-200NHE1)  N° pannelli FV: 2,1/0,2=10,5  10  Potenza generatore FV: 0,2 x 10=2,0 kW p  Energia reale prodotta W FV = 2,0 x 1200 = 2400 kWh   scelta collegamento moduli e verifiche

 Potenza inverter: (0,9÷1,2) x 2,0= (1,8 ÷2,4) kW  Modello: Sunny Boy SB1700: Potenza DC max.: 1850 W Tensione DC max.: 400 V Range di tensione DC, MPPT: 139 V – 400 V  Collegamento moduli: N°1 stringa da 10 moduli: 10 x 54,15 = 542 V (>400V) N°2 stringhe da 5 moduli: 5x 54,15 = 271 V ○ Verifica: 139 V < 271 V < 400 V OK ○ Corrente max.: 5 x 2 =10 A (<12,6 A) OK

 Incentivo: I = (W FV - W A )  TO + W A  TP ( )  0,  0,126=417€  Risparmio in bolletta (o mancato esborso): MA = W A  TA 1000*0,2=200€  Flusso di cassa con impianto fotovoltaico c FV (t) = C FV  P FV – (I+MA)  t + TA  W  t ○ C FV [€/kWp]costo costruzione impianto FV ○ P FV [kWp]potenza impianto FV ○ W FV [kWh/anno]energia prodotta all’anno ○ W [kWh/anno]energia consumata all’anno ○ t [anni]tempo  Flusso di cassa senza impianto fotovoltaico c(t) = TA  W  t