gli impianti fotovoltaici U - Obiettivo Sicurezza

L’ A N G O L O T E C N I C O
Adriano De Acutis, Claudio Mastrobattista
e Giuseppe Grammatico
Energia alternativa:
gli
impianti fotovoltaici
U
Come funziona
il generatore
fotovoltaico
n generatore fotovoltaico è un dispositivo che, se esposto al sole,
è capace di convertire la radiazione solare in energia elettrica.
Il primo oggetto costruito dall’uomo in grado di funzionare grazie
al fotovoltaico è stato il satellite Vanguard, lanciato nel 1958.
I generatori fotovoltaici sono stati impiegati in usi terrestri per alimentare utenze difficilmente raggiungibili con la rete elettrica pubblica (ponti radio, impianti di segnalazione stradale, impianti rurali).
Frequenti sono oggigiorno le realizzazioni di piccole centrali elettriche; in Italia le maggiori quantità di energia prodotta risultano di
alcune migliaia di kW.
L’elemento base è la cella fotovoltaica costituita da un particolare
materiale semiconduttore (tipicamente il silicio). Il semiconduttore,
investito da un fascio di luce solare dà luogo ad una produzione di
corrente continua proporzionale alla radiazione
Quali sono i vantaggi?
incidente.
Il fenomeno descritto
1. Basso impatto ambientale: assenza di rumore e
viene denominato “efdi emissione di gas inquinanti;
fetto fotovoltaico”. Non
2. Bassi costi di manutenzione: assenza di parti in
tutti i pacchetti di energia
movimento e quindi di usura;
costituenti la luce (fotoni)
vengono però sfruttati,
3. Elevata durata: un modulo fotovoltaico viene
in quanto soltanto alcuni
garantito per tempi di 20 ÷ 25 anni;
(con particolari valori di
4. Ridotti costi di smaltimento: il componente base
energia) danno luogo alla
è tipicamente il silicio (che deriva dalla silice
produzione di energia
SiO2 di cui è fatta la sabbia);
elettrica: questo meccani5. il grado di purezza del silicio per impieghi
smo risulta essenziale per
fotovoltaici è inferiore a quello utilizzato
determinare il rendimento
per la realizzazione dei chip elettronici con
che, per una cella fotovolpossibilità di utilizzo di scarti dell’industria
taica realizzata con silicio,
elettronica.
risulta pari a circa il 12 ÷
17% dell’energia luminoPerché è poco diffuso?
sa che la colpisce.
1.
elevato costo: l’incremento del volume di
Le applicazioni delproduzione potrà ridurre i costi;
l’energia fotovoltaica richiedono caratteristiche di
2.
la disponibilità della sorgente (diurna) non
potenza, corrente e tensiocoincide con le richieste dell’utente il cui
ne elevate ottenibili usanfabbisogno di energia è continuo nelle
do sistemi di più celle.
24 ore: il fotovoltatico non potrà sostituire
Pertanto le celle vencompletamente altre fonti energetiche
gono assemblate in una
(termoelettrico, idroelettrico, nucleare, ecc.).
struttura robusta e maneggevole, in grado di garanti-
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obiettivo sicurezza
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re molti anni di funzionamento anche in condizioni ambientali difficili:
il modulo fotovoltaico.
La potenza erogata da un modulo, in condizioni di sole pieno, può
arrivare fino a 70 ÷ 75Watt.
Collegando tra di loro un insieme di moduli si ottiene un generatore fotovoltaico con le caratteristiche desiderate di corrente e tensione.
Affinché un impianto fotovoltaico raccolga al meglio l’energia solare incidente, la superficie attiva dovrà essere disposta perpendicolarmente ai raggi solari.
Il generatore però è fissato ad una struttura di sostegno rigida, e
non può inseguire il moto apparente del sole, pertanto lo si rivolge
verso Sud con angolo di inclinazione rispetto al piano orizzontale (angolo di tilt) dipendente dalla ubicazione nella quale l’impianto viene
installato e dall’impiego presunto.
Come posizionare
un generatore
fotovoltaico
SUD
angolo di tilt
In Italia è consigliabile scegliere impianti con angoli di tilt:
· 10÷15° per impianti che funzionano prevalentemente in
estate (impianti elettrici di camper o residenze estive);
· 45÷50° per assicurare la raccolta di energia anche in inverno (impianti per segnaletica stradale);
· 30° per ottimizzare la raccolta di energia nel corso dell’intero anno (impianti a servizio di abitazioni).
Un generatore fotovoltaico eroga normalmente energia elettrica
in corrente continua. Negli impianti più semplici un accumulatore
elettrochimico (batteria) viene installato in parallelo al generatore fotovoltaico per mantenere ad un valore costante la tensione di lavoro
per l’utilizzatore secondo lo schema riportato in figura.
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obiettivo sicurezza
Impianti
fotovoltaici
in corrente
continua...
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Energia alternativa:
gli impianti fotovoltaici
diodo di blocco
carico
modulo fotovoltaico
Per impedire che durante le ore di buio la batteria possa scaricarsi sul generatore fotovoltaico, si introduce nell’impianto un diodo
di blocco della corrente a ritroso che comunque consente nelle ore
diurne la normale circolazione della corrente.
Per impianti con potenze nominali di centinaia di Watt si utilizza
lo schema seguente, in cui compare il “convertitore dc/dc”, un dispositivo elettronico che riceve in ingresso ed eroga in uscita energia
elettrica in corrente continua massimizzando la potenza disponibile
sul carico.
diodo di blocco
carico
modulo fotovoltaico
...in corrente
alternata...
convertitore dc/dc
L’esubero o il deficit di energia erogata dalla sorgente fotovoltaica vengono compensati dalla batteria, che ha la funzione di volano
energetico.
La rete pubblica, per evidenti vantaggi di gestione, trasporta e distribuisce corrente alternata; ciò ha contribuito a orientare il mercato
degli elettrodomestici verso prodotti funzionanti in corrente alternata.
Pertanto è necessario studiare impianti fotovoltaici in corrente alternata.
Si possono definire due diverse configurazioni:
· Impianto fotovoltaico funzionante in isola;
· Impianto fotovoltaico collegato alla rete elettrica pubblica.
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L’ A N G O L O T E C N I C O
L’impianto fotovoltaico funzionante in isola con alimentazione in
alternata è isolato dalla rete pubblica di distribuzione.
Di seguito è rappresentato lo schema di principio.
...funzionante
in isola...
diodo di blocco
carico
modulo fotovoltaico
convertitore dc/dc
Il convertitore dc/ac (energia in ingresso continua, ed uscita in alternata) è collegato in ingresso alle due sorgenti in continua (fotovoltaico e batterie), e trasferisce in uscita l’energia in alternata al carico,
rendendo stabile la tensione d’uscita.
Gli impianti ad isola sono utilizzati quando l’ubicazione degli apparecchi utilizzatori rende antieconomico l’allaccio con rete elettrica
pubblica (rifugi alpini, ponti radio, ecc.).
L’inconveniente di un impianto funzionante in isola è di richiedere
un pacco batterie, il cui dimensionamento è legato alla autonomia
desiderata espressa come “numero di giorni di buio completo” in cui
l’alimentazione deve essere comunque garantita.
Negli impianti collegati alla rete elettrica pubblica l’utilizzatore è
collegato alla rete pubblica di distribuzione, e l’impianto fotovoltaico
è connesso alla stessa rete, riversando su di essa l’energia elettrica
prodotta.
diodo di blocco
modulo fotovoltaico
convertitore dc/dc
carico
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RETE
PUBBLICA
...o collegato
alla rete pubblica
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Energia alternativa:
gli impianti fotovoltaici
Non è più necessario il pacco batterie, in quanto l’energia può
essere fornita dalla rete pubblica con evidenti riduzione dei costi e
vantaggi nell’installazione e nell’esercizio migliorando il rendimento
complessivo dell’impianto.
A fronte di questi vantaggi, deve essere installato un convertitore
dc/ac che mantenga il sincronismo con la tensione di rete e disconnetta l’impianto dalla rete pubblica in caso di guasto o manutenzione
della stessa per evitare che la rete stessa sia mantenuta in tensione
dal generatore fotovoltaico.
Nelle postazioni di alta montagna, dove trovano ricovero i ponti
radio del Corpo nazionale dei vigili del fuoco, spesso non si trova
l’allaccio dell’energia elettrica trasportata dal gestore locale per cui è
necessario sopperire a tale mancanza con sistemi in grado di erogare
energia alternativa per consentire il corretto funzionamento delle apparecchiature installate.
Storicamente diversi sono stati i sistemi di produzione dell’energia
elettrica studiati ed utilizzati dal Corpo nazionale dei vigili del fuoco
(impianti a gas, impianti eolici, gruppi elettrogeni) ma quello che ha
riscontrato il maggior successo è stato l’impianto fotovoltaico.
Il generatore fotovoltaico appare anche conveniente dal punto di
vista economico infatti al giorno d’oggi la realizzazione da parte del
gestore di una linea di energia elettrica in quota viene a costare circa
15.000,00 euro/km senza considerare poi il costo di utilizzo al kWh.
Di contro per la realizzazione di un impianto fotovoltaico si ha soltanto
il costo iniziale che per un impianto di media dimensione si aggira
intorno ai 4-5000 euro, con una vita media attesa di circa 20 anni.
In un tipico utilizzo del sistema di produzione di energia da pannelli fotovoltaici per i ponti radio VF si sfrutta un regolatore di tensione
che stabilizza la corrente che viene erogata al pacco batterie per la
ricarica.
Il generatore
fotovoltaico
utilizzato
dal Corpo Nazionale
dei Vigili del Fuoco
Ponti radio dei vigili del fuoco alimentati
con pannelli fotovoltaici
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