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

Disponibilità di fonti di energia non rinnovabili ANNI

Energia solare

La radiazione solare (1) 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. 1353 W/m2 1000 W/m2

La radiazione solare (2)

La radiazione solare (3) In Italia, la disponibilità di radiazione solare globale (diretta + diffusa) sul piano orizzontale varia dai 1400kWh/m2 all’anno nella pianura Padana ai circa 1700kWh/m2 nelle regioni meridionali,

Utilizzo energia solare 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.

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

Processo fotovoltaico - 1 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.

Processo fotovoltaico - 2 Solo una parte dello spettro solare a livello del suolo risulta utile per la conversione fotovoltaica Si vede che l’energia solare convertibile teoricamente in energia elettrica è pari al 44%

Processo fotovoltaico - 3 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

Applicazioni 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

Materiali fotovoltaici 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

Elementi componenti il generatore fotovoltaico 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 150x150mm2 ha una superficie di 1,3m2 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.

Caratteristiche della cella/modulo FV

Diodi di by-pass 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.

Valori commerciali di un pannello al silicio monocristallino 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%

Inclinazione dei pannelli - 1 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) b<±15% mentre diventa penalizzante per b >±30%.

Inclinazione dei pannelli - 2 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.

Inverter : MPPT Maximum Power Point Tracker 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).

Inverter : potenza 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%PFV)

Inverter : dati tecnici 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 60529 Peso SB 1100 1210 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 a spina CA 93 % 91,6 % IP65 22 kg SB 1700 1850 W 12,6 A 1700 W 1550 W 50 Hz / 60 Hz 93,5 % 91,8 % 25 kg SB 2500 2700W 600 V 224 V – 600 V 12 A 3 2500 W 2300 W 94,1 % 93,2 % 30 kg SB 3000 3200 W 268 V – 600 V 3000 W 2750 W 95,0 % 93,6 % 32 kg

Potenzialità dell’impianto fotovoltaico 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

Parti costituenti un impianto fotovoltaico Pannelli fotovoltaici (generatore) Inverter Cavi di collegamento

Dati ricavabili dalla scheda tecnica Superficie lorda: 1,25m2 Sup. netta (sup. attiva): 0,9x1,25 = 1,2m2 Efficienza pannello: 0,2/1,25 = 0,16 kWp/m2 Efficienza cella: 0,2/1,2 = 0,166 kWp/m2 Rendimento pannello: 0,16kWp/1kWsolare = 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 kWp installato: 1,25/0,2=6,25 m2/kWp

Superfici FV necessarie per la produzione di 1kWp Materiale della cella Efficienza del modiulo Superficie moduli FV Energia annua captata [kWh] (nord Italia) Ideale 100% 1 m2 1400 Monocristallino 11-16% 6-9 m2 Policristallino 10-14% 8-9 m2 Film sottile (amorfo) in diseleniuro di rame e indio 6-8% 11-13 m2 Amorfo 4-7% 16-20 m2

Dimensionamento di massima impianto fotovoltaico (1) Dati di progetto: Consumo elettrico annuo W = 2500 kWh Prezzo energia elettrica (conto energia) Acquisto: 0,176 €/kWh Vendita: 0,46 €/kWh Posizione geografica: Località: Verona Irraggiamento annuo: 1400 kWh/m2 Superficie disponibile verso sud: 25 m2 Costo impianto FV: 5500 ÷ 7000 €/kWp

Dimensionamento di massima impianto fotovoltaico (2) Rendimento orientativo (inverter e cavi): 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/kWp x 0,85=1200 kWh/kWp Potenza impianto FV: 2500/1200=2,1kWp  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 kWp Energia reale prodotta WFV = 2,0 x 1200 = 2400 kWh  scelta collegamento moduli e verifiche

Dimensionamento di massima impianto fotovoltaico (3) 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

Possibili collegamenti dei pannelli FV all’inverter

Calcolo del ritorno economico (1) Costi con impianto fotovoltaico (W > WFV) cFV(t) = CFVPFV - 0,46WFVt + 0,176(W - WFV)t CFV [€/kWp] costo costruzione impianto FV PFV [kWp] potenza impianto FV WFV [kWh/anno] energia prodotta all’anno W [kWh/anno] energia consumata all’anno t [anni] tempo Costi con impianto fotovoltaico (W < WFV) cFV(t) = CFVPFV - 0,46WFVt Costi senza impianto fotovoltaico c(t) = 0,176Wt Punto di pareggio t’ = 8,5 anni

Calcolo del ritorno economico (2) PUNTO DI PAREGGIO sempl. cFV(t’) = c(t’)