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
URANIO
CARBONE
GAS NATURALE
PETROLIO
0
20
40
60
ANNI
80
100
120
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
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,
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.
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%
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 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.
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 bypassare la cella eventualmente in ombra.
Pannelli fotovoltaici codice: SANYO HIP-200NHE1
Dimensioni :
Peso :
Dimensioni delle celle :
Tipo di celle :
Numero di celle :
Potenza nominale:
Tensione con potenza massima :
Intensità con potenza massima :
Diodo di protezione :
Tensione di circuito aperto (25°C):
Coeff di tensione :
Intensità di cortocircuito :
Temperatura ammessa :
1570x798x35 mm
17 kg
130 x 130 mm
silicio monocristallino
72
200 Wp
40 V
5A
2 by-pass
49,6 Volt
-0,13 V/°C
10,14 Ampere
-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) b<±15% mentre diventa penalizzante
per b >±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%PFV)
Marca: Sunny Boy
Dati d’ingresso
SB 1100
SB 1700
SB 2500
SB 3000
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
1210 W
400 V
139 V – 400 V
10 A
< 10 %
2
sì
Diodo
1850 W
400 V
139 V – 400 V
12,6 A
< 10 %
2
sì
Diodo
2700W
600 V
224 V – 600 V
12 A
< 10 %
3
sì
Diodo
3200 W
600 V
268 V – 600 V
12 A
< 10 %
3
sì
Diodo
1100 W
1000 W
<4%
220 V – 240 V
50 HZ / 60 Hz
1
sì
a spina CA
1700 W
1550 W
<4%
220 V – 240 V
50 Hz / 60 Hz
1
sì
a spina CA
2500 W
2300 W
<4%
220 V – 240 V
50 Hz / 60 Hz
1
sì
a spina CA
3000 W
2750 W
<4%
220 V – 240 V
50 HZ / 60 Hz
1
sì
a spina CA
93 %
91,6 %
93,5 %
91,8 %
94,1 %
93,2 %
95,0 %
93,6 %
IP65
22 kg
IP65
25 kg
IP65
30 kg
IP65
32 kg
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
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: 1,25m2
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
Efficienza
del modiulo
Superficie
moduli FV
Energia annua
captata [kWh]
(nord Italia)
100%
1 m2
1400
Monocristallino
11-16%
6-9 m2
1400
Policristallino
10-14%
8-9 m2
1400
Film sottile (amorfo) in
diseleniuro di rame e indio
6-8%
11-13 m2
1400
Amorfo
4-7%
16-20 m2
1400
Materiale della cella
Ideale
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
Tipologia di installazione
Requisiti richiesti
Moduli fotovoltaici installati su tetti piani Qualora sia presente una balaustra perimetrale, la quota
ovvero su coperture con pendenze fino a 5°.
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 I moduli devono essere installati in modo complanare al piano
caratteristiche diverse da quelli di cui ai punti 1 tangente o ai piani tangenti del tetto, con una tolleranza di più o
e 2.
meno 10 gradi.
Moduli fotovoltaici installati in qualità di I moduli sono collegati alla facciata al fine di produrre
frangisole.
ombreggiamento e schermatura di superfici trasparenti.
Altri impianti: pergole, serre, barriere acustiche, tettoie e pensiline
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
Semestre
Potenza
[kW]
I
II
III
IV
V
O
P
O
P
O
P
O
P
O
P
1-3
0,208
0,126
0,182
0,100
0,157
0,075
0,144
0,062
0,133
0,051
3-20
0,196
0,114
0,171
0,089
0,149
0,067
0,137
0,55
0,128
0,046
20-200
0,175
0,093
0,157
0,075
0,149
0,067
0,131
0,049
0,122
0,040
200-1000
0,142
0,060
0,130
0,048
0,118
0,036
0,111
0,029
0,106
0,024
10005000
0,126
0,044
0,118
0,036
0,110
0,028
0,105
0,023
0,100
0,018
>5000
0,119
0,037
0,112
0,030
0,104
0,022
0,099
0,017
0,095
0,013
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 2015.
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 82-25
Inverter: è stato rilasciato, da un ente di certificazione accreditato
EN 45011 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 2013
0,02 €/kWh
Impianto in esercizio entro il 31 dicembre 2014
0,01 €/kWh
Impianto in esercizio dopo il 31 dicembre 2014
0,005 €/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 esercizio
P < 20 kWp
P => 20 kWp
entro il 31 dicembre 2013
0,03 €/kWh
0,02 €/kWh
entro il 31 dicembre 2014
0,02 €/kWh
0,01 €/kWh
dopo il 31 dicembre 2014
0,01 €/kWh
0,005 €/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/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
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 = (WFV - WA)TO + WA TP
(2400-1000)0,208 + 10000,126=417€
Risparmio in bolletta (o mancato esborso):
MA = WATA
1000*0,2=200€
Flusso di cassa con impianto fotovoltaico
cFV(t) = CFVPFV – (I+MA)t + TAWt
○
○
○
○
○
CFV [€/kWp]
PFV [kWp]
WFV [kWh/anno]
W [kWh/anno]
t [anni]
costo costruzione impianto FV
potenza impianto FV
energia prodotta all’anno
energia consumata all’anno
tempo
Flusso di cassa senza impianto fotovoltaico
c(t) = TAWt
Punto di pareggio:
cFV(t’) = c(t’)
Quindi:
𝐶𝐹𝑉 ∙ 𝑃𝐹𝑉
′
𝑡 =
𝐼 + 𝑀𝐴
Nel presente caso.
2700 ∙ 2
′
𝑡 =
= 8,75 𝑎𝑛𝑛𝑖
417 + 200
NB: Valutazione ottimistica; essa non tiene conto di:
manutenzioni ordinarie e straordinarie, assicurazione, etc
