Progetto impianto fotovoltaico: caratteristiche tecniche e dimensionamento

Progetto impianto fotovoltaico: caratteristiche tecniche, definizioni e metodologie per il corretto dimensionamento, con esempio pratico

Un impianto fotovoltaico è composto da un insieme di moduli (pannelli) fotovoltaici e da una componente elettrica (cavi) ed una elettronica (inverter). I moduli sfruttano l’energia solare incidente per produrre energia elettrica mediante effetto fotovoltaico.

Lo scopo dell’impianto fotovoltaico è conseguire un significativo risparmio energetico per la struttura servita.

Il ricorso a tale tecnologia nasce dall’esigenza di coniugare:

  • la compatibilità con esigenze architettoniche e di tutela ambientale
  • nessun inquinamento acustico
  • un risparmio di combustibile fossile
  • una produzione di energia elettrica senza emissioni di sostanze inquinanti

In questo articolo illustriamo le caratteristiche tecniche di un impianto fotovoltaico e accenniamo ai criteri di progettazione. In allegato proponiamo anche un esempio completo di progetto di un impianto fotovoltaico in formato PDF.

Posizione apparente del Sole

Poiché la Terra ruota attorno a se stessa da Ovest verso Est e poiché noi non percepiamo tale movimento, abbiamo l’impressione che sia la sfera celeste a ruotare in senso contrario, e cioè da Est ad Ovest, trascinando con se tutti gli astri compreso il Sole.

Per effetto della inclinazione dell’asse terrestre, rispetto al piano dell’orbita, si ha che il Sole appare, di stagione in stagione, ad altezze diverse sull’orizzonte.

Questa impressione errata, che ha condizionato la visione del mondo e del cielo per millenni, è però talmente comoda che ancora oggi viene utilizzata per fare riferimento, in maniera semplice ed intuitiva, a ciò che avviene nel cielo.

 

Radiazione solare

Per radiazione solare s’intende il flusso di energia emesso dal sole e assorbito dalla crosta terreste.

Radiazione a terra

Radiazione a terra

Radiazione a terra

La radiazione solare attraversando gli strati atmosferici subisce diversi effetti, una parte viene riflessa verso lo spazio, una parte viene diffusa in tutte le direzioni, una parte viene assorbita e infine una parte denominata radiazione solare diretta, raggiunge direttamente la superficie terreste.

Sito di installazione

Il dimensionamento energetico dell’impianto fotovoltaico, connesso alla rete del distributore, viene effettuato tenendo conto, oltre che della disponibilità economica, dei seguenti aspetti:

  • disponibilità di spazi sui quali installare l’impianto fotovoltaico
  • disponibilità della fonte solare
  • fattori morfologici e ambientali (ombreggiamento e albedo)

Individuazione degli spazi sui quali installare l’impianto fotovoltaico

La prima operazione da effettuare è quella di individuare gli spazi ove posizionare i moduli fotovoltaici. Generalmente, nel caso di installazioni civili, si cerca di posizionare i pannelli sulle falde della copertura. Se possibile si preferisce un’installazione integrata nella copertura. Occorre, dunque, individuare la falda esposta verso SUD.

L’esposizione ottimale è quella coincidente con il SUD pieno; pertanto la produttività massima si ha per azimut pari a 0 gradi.

Inoltre, occorre individuare l’inclinazione ottimale dei pannelli rispetto al piano orizzontale; tale valore viene definito tilt.

Generalmente i massimi valori di produttività si hanno per tilt = latitudine -10°.

Superficie comunque esposta

Per valutare correttamente gli apporti solari è necessario calcolare la radiazione solare diretta e diffusa che incide su ciascuna superficie dell’edificio, ovvero comunque inclinata.

Azimut

Azimut

Tilt

Tilt

Disponibilità della fonte solare

La disponibilità della fonte solare per il sito di installazione va verificata utilizzando i dati relativi a valori giornalieri medi mensili della irradiazione solare sul piano orizzontale.

Irradiazione giornaliera media mensile sul piano orizzontale [MJ/m²]

Irradiazione giornaliera media mensile sul piano orizzontale [MJ/m²]

I dati solari a nostra disposizione in Italia, derivati dalla conoscenza di dati climatologici locali, sono limitati a 101 Capoluoghi di Provincia (UNI 10349:1994) e/o a 1616 Comuni (ENEA),e relativi al solo piano orizzontale.

UNI 10349

UNI 10349

Fattori morfologici e ambientali (ombreggiamento e albedo)

Gli effetti di schermatura da parte di volumi all’orizzonte, dovuti ad elementi naturali (rilievi, alberi) o artificiali (edifici), determinano la riduzione degli apporti solari e il tempo di ritorno dell’investimento.

Ombreggiamento

Ombreggiamento

Bisogna inoltre tener conto del plus di radiazione dovuta alla riflettanza delle superfici (capacità di riflettere parte della luce incidente su una data superficie o materiale) della zona in cui è inserito l’impianto. Vengono pertanto definiti i valori medi mensili di albedo.

Su diagramma solare verticale precedentemente ottenuto si riporta, con uno strumento topografico, la forma degli oggetti che stanno al disopra della linea dell’orizzonte, e che si possono osservare dal punto in cui verranno posizionati i pannelli (termici o fotovoltaici).

riflessione-della-radiazione

Classificazione  impianti fotovoltaici

Di seguito riportiamo alcuni concetti base per la progettazione degli impianti fotovoltaici

  • moduli fotovoltaici: dispositivi per la trasformazione di energia solare in energia elettrica
  • regolatore di carica: dispositivo per la protezione degli accumulatori (regola la ricarica e la scarica degli stessi)
  • accumulatori: dispositivi per immagazzinare l’energia dell’impianto fotovoltaico al fine di fornirla all’utenza quando i moduli non sono in grado di produrla per mancanza di irraggiamento solare
  • inverter: macchina per trasformare la corrente continua proveniente dai moduli e/o dagli accumulatori in corrente alternata convenzionale a 220  Nota: Se gli apparecchi da alimentare sono del tipo a corrente continua si può fare a meno di questo componente
  • quadro elettrico: per la distribuzione dell’energia. In caso di consumi elevati o in assenza di alimentazione da parte dei moduli fotovoltaici la corrente viene prelevata dalla rete pubblica. In caso contrario l’energia fotovoltaica eccedente viene di nuovo immessa in rete. Inoltre esso misura la quantità di energia fornita dall’impianto fotovoltaico alla rete.
  • cella fotovoltaica: la singola cella fotovoltaica, di dimensioni intorno ai 10 x 10 cm, costituisce il dispositivo elementare alla base di ogni sistema fotovoltaico.

Possiamo avere diverse tipologie di impianti fotovoltaici: impianti connessi in rete (grid connected) e impianti isolati dalla rete elettrica (stand alone).

 

Impianti connessi

Impianti connessi

Impianti isolati stand alone

Impianti isolati stand alone

 

 

 

Progetto impianto fotovoltaico: procedure di calcolo

Il principio progettuale normalmente utilizzato per un impianto fotovoltaico è quello di massimizzare la captazione della radiazione solare annua disponibile.

Nella generalità dei casi, il generatore fotovoltaico deve essere esposto alla luce solare in modo ottimale, scegliendo prioritariamente l’orientamento a Sud ed evitando fenomeni di ombreggiamento. In funzione degli eventuali vincoli architettonici della struttura che ospita il generatore stesso, sono comunque adottati orientamenti diversi e sono ammessi fenomeni di ombreggiamento, purché adeguatamente valutati.

Perdite d’energia dovute a tali fenomeni incidono sul costo del kWh prodotto e sul tempo di ritorno dell’investimento.

Dal punto di vista dell’inserimento architettonico, nel caso di applicazioni su coperture a falda, la scelta dell’orientazione e dell’inclinazione va effettuata tenendo conto che è generalmente opportuno mantenere il piano dei moduli parallelo o addirittura complanare a quello della falda stessa. Ciò in modo da non alterare la sagoma dell’edificio e non aumentare l’azione del vento sui moduli stessi. In questo caso, è utile favorire la circolazione d’aria fra la parte posteriore dei moduli e la superficie dell’edificio, al fine di limitare le perdite per temperatura.

Criterio di stima dell’energia prodotta

L’energia generata, dunque, dipende dai seguenti fattori:

  • sito di installazione (latitudine, radiazione solare disponibile, temperatura, riflettanza della superficie antistante i moduli)
  • esposizione dei moduli: angolo di inclinazione (Tilt) e angolo di orientazione (Azimut)
  • eventuali ombreggiamenti o deturpamenti del generatore fotovoltaico
  • caratteristiche dei moduli: potenza nominale, coefficiente di temperatura, perdite per disaccoppiamento o mismatch
  • caratteristiche del BOS (Balance Of System)

Il valore del BOS può essere stimato direttamente oppure come complemento all’unità del totale delle perdite, calcolate mediante la seguente formula:

Totale perdite [%] = [1 – (1 – a – b) · (1 – c – d) · (1 – e) · (1 – f)] + g

per i seguenti valori:

  1. perdite per riflessione
  2. perdite per ombreggiamento
  3. perdite per mismatching
  4. perdite per effetto della temperatura
  5. perdite nei circuiti in continua
  6. perdite negli inverter
  7. perdite nei circuiti in alternata

Criterio di verifica elettrica

In corrispondenza dei valori minimi della temperatura di lavoro dei moduli (-10 °C) e dei valori massimi di lavoro degli stessi (70 °C) sono verificate le seguenti grandezze:

  • tensioni MPPT (Maximum Power Point Tracker), i valori di MPPT rappresentano i valori minimo e massimo della finestra di tensione utile per la ricerca del punto di funzionamento alla massima potenza:
    • tensione nel punto di massima potenza, Vm, a 70 °C maggiore o uguale alla Tensione MPPT minima (Vmppt min)
    • tensione nel punto di massima potenza, Vm, a -10 °C minore o uguale alla Tensione MPPT massima (Vmppt max)
  • tensione massima: tensione di circuito aperto, Voc, a -10 °C minore o uguale alla tensione massima di ingresso dell’inverter
  • tensione massima modulo: tensione di circuito aperto, Voc, a -10 °C minore o uguale alla tensione massima di sistema del modulo
  • corrente massima: corrente massima (corto circuito) generata, Isc, minore o uguale alla corrente massima di ingresso dell’inverter
  • dimensionamento: il rapporto percentuale tra la potenza nominale dell’inverter e la potenza del generatore fotovoltaico a esso collegato (compreso tra il 70 % e 120 %)

Progetto impianto fotovoltaico: dimensionamento dell’impianto

Per dimensionare correttamente un impianto è necessario definire i dati generali:

  • dati committente (nome e indirizzo)
  • latitudine (N)
  • longitudine (E)
  • altitudine (m)
  • irradiazione solare annua sul piano orizzontale (MJ/m²)
  • coefficiente di ombreggiamento

e i dati tecnici:

  • superficie totale moduli (m²)
  • numero totale moduli
  • numero totale inverter
  • energia totale annua (kWh)
  • potenza totale (kW)
  • potenza fasi (L1-L2-L3) (kW)
  • energia per kW (kWh/kW)
  • sistema di accumulo
  • capacità di accumulo utile (kW)
  • BOS (%)

Sistema di accumulo esterno

Il sistema di accumulo esterno utilizzato permette di immagazzinare l’energia prodotta in eccesso dall’impianto per riutilizzarla nei momenti in cui l’impianto non produce energia.

È necessario definire il tipo di batteria (codice, marca, modello e  e caratteristiche) e la configurazione del sistema di accumulo.

I vantaggi nel progettare un impianto fotovoltaico con l’utilizzo di un software

Per la corretta redazione di un progetto di un impianto fotovoltaico è necessario utilizzare un software di calcolo.

Di seguito presentiamo i vantaggi di progettare con l’ausilio del programma Solarius-PV di ACCA software:

  • disegno delle superfici a disposizione dell’impianto fotovoltaico con oggetti grafici specifici, che comprendono tutti i dati necessari per il dimensionamento dell’impianto fotovoltaico, o le importi direttamente da file DXF/DWG
  • posizionamento dei pannelli fotovoltaici da disporre sulla copertura o sul terreno scegliendoli tra quelli selezionati e proposti in automatico dal software per ottenere il risultato migliore
  • simulazione dell’ombreggiamento fotovoltaico prodotto dagli elementi sull’orizzonte posti a grande distanza dall’impianto fotovoltaico con un semplice rilievo fotografico del luogo, l’ombreggiamento fotovoltaico dagli ostacoli vicini e quello causato dalle stringhe parallele di moduli fotovoltaici
  • configurazione dell’impianto fotovoltaico con inverter monofase a bassa tensione (BT), inverter trifase in bassa (BT) e media tensione (MT), inverter multi MPPT, inverter con accumulo integrato o indipendente (batterie fotovoltaiche esterne). Batterie fotovoltaiche ed inverter saranno selezionati e suggeriti in automatico dal software per ottenere il risultato migliore
  • calcolo del rendimento dell’impianto fotovoltaico (producibilità totale annua con dettaglio orario della produzione) e valuta la redditività ed il periodo di ammortamento dell’impianto fotovoltaico
  • risultati di calcolo, in forma numerica e grafica, sempre aggiornati ad ogni modifica dei dati di progetto. Sempre supportato da una diagnostica operativa con alert in grado di evidenziare rapidamente eventuali anomalie, affinchè tutto sia elaborato in modo corretto.
  • possibilità di fotoinserimento consentono di visualizzare l’impianto progettato anche con rappresentazioni fotorealistiche per mostrare al cliente l’impatto visivo dell’impianto progettato

 

 

 

Di seguito proponiamo il video tutorial del software ACCA Solarius-PV:

 

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