Il Dimensionamento
Per il dimensionamento di un impianto fotovoltaico sono necessarie le seguenti fasi:
- determinazione dei carico elettrico;
- calcolo della radiazione solare disponibìle;
- determinazione della taglia dei generatore fotovoltaico.
La prima fase consiste nel valutare l'incidenza del fabbisogno energetico su base annuale dell'utenza: generalmente, il dato fornito dal gestore di rete ENEL (o altro ente sul mercato libero) ricavabile sulla bolletta è già calcolato su media annuale ed è sicuramente attendibile.
La verifica della radiazione solare disponibile è un calcolo più complesso, in quanto tiene conto di tutti i fattori che influenzano la capacità del sito di utilizzare l'irraggiamento per la conversione in energia elettrica utilizzabile.
Al variare della località, infatti, varia il rapporto fra la radiazione solare diffusa, diretta e quella totale: di conseguenza variano i parametri di configurazione che ottimizzano l'inclinazione del piano moduli.
Per località italiane, tuttavia, deviazioni di una decina di gradi rispetto all’inclinazione ottimale causano variazioni di energia raccolta dell’ordine di pochi punti percentuali (purchè in ogni caso la superficie dell'impianto fotovoltaico risulti esposta a Sud).
La posizione ottimale, in pratica, si ha quando la superficie è orientata a sud con angolo di inclinazione pari alla latitudine del sito.
In questo caso l'orientamento a sud massimizza la radiazione solare captata ricevuta nella giornata e l'inclinazione pari alla latitudine rende minime, durante l'anno, le variazioni di energia solare captata, dovute alla oscillazione di ±23,5° della direzione dei raggi solari rispetto alla proiezione normale (perpendicolare) della superficie del modulo.
Per la determinazione della taglia del generatore, oltre all'intensità della radiazione solare, bisogna tener conto di altre variabili come:
- la temperatura;
- l'efficienza della cella fotovoltaica;
- la grandezza della superficie interessata.
La potenza dell'energia prodotta dal generatore, infatti, si esprime con la formula:
P = V x A,
dove:
- (P) = Wp;
- (V) = Volt;
- (A) = Ampere.
Nella funzione, la temperatura influisce sul valore della tensione, con una relazione inversamente proporzionale (all'aumentare dell'una, diminuisce il valore dell'altra), mentre l'intensità della radiazione solare influisce proporzionalmente con la corrente generata (che cresce al crescere dell'irraggiamento).
Gli effetti di queste variabili incidono sensibilmente sulle caratteristiche del sistema fotovoltaico in progetto, e vanno considerate in maniera accurata (se non opportunamente dimensionato, il sistema potrebbe andare in stand-by nel periodo invernale per sovratensione e nel periodo estivo per scarsa potenza disponibile).
Generalmente, nel calcolo della producibilità di ciascuna stringa, si tende a ricercare un buon compromesso tra il periodo estivo e quello invernale avendo riguardo a non incappare in situazioni esteme di disallineamento con il range consentito dalla rete.
L'area della cella infine non ha alcun effetto sul valore della tensione ma determina il valore della corrente disponibile: le celle di produzione recente hanno una potenza maggiore a parità di superficie rispetto a quelle tradizionali (e richiedono superfici inferiori a parità di potenza erogata).
Fatte queste premesse, l'efficienza di una cella sarà il risultato del rapporto tra la potenza massima da essa erogata (Pmax) e l'irraggiamento incidente sulla sua superficie (Area della cella).
In dottrina, per l'analisi della potenza massima erogabile di un sistema fotovoltaico (KWp), si stimano condizioni di illuminazione e temperatura standard da laboratorio:
- una temperatura di 25°C;
- un irraggiamento di 1000 W/mq.
IL GENERATORE FOTOVOLTAICO
La conversione della radiazione solare in corrente elettrica avviene nella cella fotovoltaica.
Per la realizzazione delle celle, il materiale attualmente più utilizzato è descritto nel seguito:
1. Silicio Mono-cristallino: resa energetica fino al 14/16 %;
2. Silicio Poli-cristallino: resa energetica fino al 11/14 %;
3. Silicio Amorfo: resa energetica meno del 10 %.
Più celle fotovoltaiche assemblate, costituiscono il modulo fotovoltaico (struttura robusta e maneggevole su cui vengono collocate le celle).
I principali componenti che costituiscono un impianto fotovoltaico connesso in rete sono:
1. Moduli fotovoltaici;
2. Inverters per la connessione in rete;
3. Contatore di energia bidirezionale;
4. Dispositivo di interfaccia con la rete elettrica.
I moduli possono avere dimensioni diverse.
Le caratteristiche elettriche principali di un modulo fotovoltaico si possono riassumere nelle seguenti:
1. Potenza di Picco (Wp) : Potenza erogata dal modulo alle condizioni standard (Irraggiamento = 1000 W/mq; Temperatura = 25 ° C; A.M. = 1,5)
2. Corrente nominale (A) : Corrente erogata dal modulo nel punto di lavoro
3. Tensione nominale (V) : Tensione di lavoro del modulo
Più moduli assemblati meccanicamente tra loro formano il pannello; mentre moduli o pannelli collegati elettricamente in serie, per ottenere la tensione nominale di generazione, formano la stringa.
Infine il collegamento elettrico in parallelo di più stringhe costituisce il campo.
L’inverter è un dispositivo che trasforma l’energia continua prodotta dai moduli (12V, 24V, ..) in energia alternata (generalmente 220V) per alimentare il carico-utente e/o immetterla nella rete, con la quale lavora in regime di interscambio.
Il dispositivo di interfaccia con la rete ha lo scopo di fare in modo che la forma d’onda dell’energia elettrica immessa in rete abbia tutte le caratteristiche richieste dal fornitore locale di energia.
Il contatore di energia misura infine l’energia prodotta dall’impianto fotovoltaico durante il suo periodo di funzionamento.
Nel seguito un esempio di energia prodotta da un impianto in area centro meridionale:
