1) IL FENOMENO FOTOVOLTAICO
Il temine FotoVoltaico deriva dalle parole: "photos" dal greco phos (luce) e "volt" che prende le
radici da Alessandro Volta, studioso italiano del fenomeno elettrico; il termine fotovoltaico significa
letteralmente:
"elettricità dalla luce"
Il FotoVoltaico è la tecnologia che permette di produrre energia elettrica mediante la conversione
diretta della luce del sole senza l'uso di combustibili. La tecnologia moderna ci permette la
costruzione e l'utilizzo delle apparecchiature necessarie ad ottenere la conversio-ne dell'energia
solare in energia elettrica.
La tecnologia FotoVoltaica da un notevole contributo alla salvaguardia dell’ambiente, limitando gli
aumenti di produzione di energia elettrica attraverso la combustione di carbone, petrolio e gas,
riducendo quindi l'emissione di sostanze nocive nell'atmosfera.
2) ASPETTI TEORICI
Nella fisica dello stato solido l'effetto fotovoltaico è il fenomeno fisico che si realizza quando
un elettrone presente nella banda di valenza di un materiale (generalmente semiconduttore) passa
alla banda di conduzione a causa dell'assorbimento di fotoni sufficientemente energetici incidenti
sul materiale.
L'effetto fotovoltaico costituisce una delle prove indirette della natura corpuscolare delle onde
elettromagnetiche.
La teoria fisica che spiega l'effetto fotoelettrico, del quale l'effetto fotovoltaico rappresenta una
sottocategoria, fu pubblicata nel 1905 da Albert Einstein che per questo ricevette il premio
Nobel per la fisica nel 1921. Quando una radiazione elettromagnetica investe un materiale può, in
certe condizioni, cedere energia agli elettroni più esterni degli atomi del materiale e, se questa è
sufficiente, l'elettrone risulta libero di allontanarsi dall'atomo di origine. L'assenza dell'elettrone
viene chiamata in questo caso lacuna. L'energia minima necessaria all'elettrone per allontanarsi
dall'atomo (passare quindi dalla banda di valenza che corrisponde allo stato legato più esterno alla
banda di conduzione ove non è più legato) deve essere superiore alla banda proibita del materiale.
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Illuminando la giunzione P-N si generano coppie di elettroni (-) e lacune (+).
2.1 TIPI DI MODULI FOTOVOLTAICI
2.2.1 SILICIO MONOCRISTALLINO
ASPETTO MODULO
ASPETTO CELLA (2 BUS BAR)
VANTAGGI
MAGGIORE EFFICIENZA (1219%);
MINORE SPAZIO (A PARITA’ DI POTENZA);
MAGGIORE DURATA;
MIGLIOR RENDIMENTO IN CONDIZIONI DI MINORE INTENSITA’ SOLARE E MINOR
TEMPERATURA.
SVANTAGGI
MAGGIOR COSTO;
MINOR RENDIMENTO ALLE ALTE TEMPERATURE.
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2.2.2 SILICIO POLICRISTALLINO
ASPETTO MODULO
ASPETTO CELLA
VANTAGGI
MINOR COSTO;
ULTIMAMENTE E’ STATA AUMENTATA L’EFFICIENZA E LA DURATA;
MIGLIOR RENDIMENTO IN CONDIZIONI DI ALTE TEMPERATURE.
SVANTAGGI
MINOR RENDIMENTO E QUINDI NECESSITA’ DI MAGGIORE SPAZIO;
2.2.3 FILM SOTTILE – SILICIO AMORFO
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IL THIN FILM VIENE APPLICATO SU UN MATERIALE DI SUPPORTO E PUO’ ESSERE MOLTO
VERSATILE
VANTAGGI
SI UTILIZZANO MINORI QUANTITA’ DI SILICIO;
COSTANO MENO DEL SILICIO CRISTALLINO;
PUO’ ESSERE RESO LEGGERO E FLESSIBILE;
LAVORA MEGLIO IN CONDIZIONI DI LUCE PEGGIORE E REAGISCONO MEGLIO IN CASO
DI COPERTURA PARZIALE.
SVANTAGGI
MINORE GARANZIA DEL COSTRUTTORE;
MINORE TASSO DI CONVERSIONE (612%);
NECESSITA’ DI MAGGIORE SPAZIO.
2.3a
IMPIANTI GRID CONNECT
Questa famiglia identifica quelle utenze elettriche già servite dalla rete nazionale in AC (Alternating
Current, corrente alternata), ma che immettono in rete la produzione elettrica risultante dal loro
impianto fotovoltaico, opportunamente convertita in corrente alternata e sincronizzata a quella
della rete. I principali componenti che costituiscono un impianto fotovoltaico connesso in rete
sono:
Moduli fotovoltaici
Inverter per la connessione in rete
Dispositivo di interfaccia con la rete elettrica
Contatore di energia bidirezionale
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2.3b
IMPIANTI STAND ALONE (A ISOLA)
Questa famiglia identifica quelle utenze elettriche isolate da altre fonti energetiche, come la rete
nazionale in AC, che si riforniscono da un impianto fotovoltaico elettricamente isolato ed
autosufficiente.
I principali componenti di un impianto fotovoltaico a isola sono generalmente:
Moduli fotovoltaici
Regolatore di carica
Inverter (opzionale, serve solo se ci sono utilizzatori in AC)
Sistema di accumulo (batterie di accumulo)
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In tale
moduli
viene
tipologia
di
impianti,
l’energia
prodotta dai
fotovoltaici
immagazzinata in batterie di accumulo. Il carico viene alimentato, attraverso il regolatore di carica,
dall’energia accumulata nelle batterie.
Il regolatore di carica serve sostanzialmente a preservare gli accumulatori da un eccesso di carica
ad opera del generatore fotovoltaico e da un eccesso di scarica dovuto all’utilizzazione. Entrambe le
condizioni sono nocive per la corretta funzionalità e la durata degli accumulatori.
3) SISTEMA DI POMPAGGIO DELL’ACQUA DA POZZI MEDIANTE POMPE ALIMENTATE DA
MODULI FOTOVOLTAICI
Fondamentale per l’esistenza della vita, l’acqua è il bene di prima necessità per l’uomo come
per qualsiasi altro essere vivente. Il fabbisogno giornaliero pro-capite è di 5 litri, in assenza di
essi difficilmente si sopravvivrà per più di sette giorni. Per parlare di condizioni di vita
accettabili si deve disporre di almeno 50 litri giornalieri per abitante, ma essendo questa
un’utopia per molti Paesi poveri, le Nazioni Unite hanno fissato a 40 litri il diritto minimo procapite come obiettivo di mobilitazione per l’annuale giornata mondiale dell’acqua.
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3.1)
I NUMERI
Il 97% dell’acqua disponibile è salato.
Del 3% rimanente l’uomo è in grado di utilizzarne solamente il 25%, ossia solo lo 0,75%
dell’acqua totale.
Il 70% dell’acqua di cui disponiamo viene utilizzato in agricoltura, ma il Consiglio Mondiale
delle acque sostiene che da qui al 2020 per dissetare il mondo sarà necessario avere
almeno il 17% in più dell’acqua attualmente disponibile, diversamente sarà il disastro.
[Repubblica]
Al momento 783 milioni di persone nel mondo non dispongono di acqua potabile, non
perché non ci sia, ma perché non possono arrivare ad essa.
Secondo le stime dell’OMS (Organizzazione Mondiale della Sanità) ogni anno nel mondo
muoiono dieci milioni di persone, la metà sono bambini, per colera, tifo, dissenteria e altre
malattie dovute soprattutto alla mancanza di acqua potabile e il conseguente consumo di
acqua insalubre. In quei Paesi, soprattutto dell’Africa, l’acqua è responsabile di oltre l’80%
delle malattie.
Un italiano medio usa circa 40 litri d’acqua per farsi una doccia, con gli stessi litri un
abitante dell’Africa centrale sopravvivrebbe per quattro giorni.
In media una donna africana percorre 10 km al giorno per andare ad approvvigionarsi di
qualche litro d’acqua, raramente sufficiente per l’intera famiglia.
In molti Paesi il problema non è la mancanza di acqua, ma la difficoltà a ottenerla.
3.2)
PERCHÉ IL FOTOVOLTAICO
Uno dei metodi più collaudati e funzionali per l’estrazione dell’acqua potabile consiste nello
scavare un pozzo profondo dai 70 ai 100 metri per accedere a una falda sotterranea, da qui
riportare su l’acqua attraverso una pompa e accumularla in un serbatoio. Un sistema del
genere ha però bisogno di una corrente elettrica continua, che permetta alla pompa di
funzionare.
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Cosa fare allora in Africa, dove, fatta eccezione per i Paesi più sviluppati, la popolazione con
accesso all’elettricità è circa il 20%, con picchi fino al 5% nei paesi meno sviluppati?
Semplice, si sfrutta la risorsa rinnovabile più diffusa: il Sole!
L’uso di pannelli fotovoltaici per dare energia a una pompa comporta numerosi vantaggi:
Il sole è una fonte di energia inesauribile, almeno per le nostre prospettive temporali;
L’energia solare che investe la Terra è circa 15.000 volte superiore al fabbisogno
energetico mondiale;
L’energia solare che investe in un anno una superficie di poco meno di 2 m2 di suolo (in
Italia Centrale) equivale ai consumi elettrici annuali di una famiglia media;
Oltre l’80% del territorio africano riceve quasi 2000 kW di energia all’ora per metro
quadro;
E’ un sistema collaudato, infatti un primo impianto di pompaggio dell’acqua alimentato ad
energia solare è stato installato nel 2004 a Kayrati, in Ciad. Col tempo queste pompe solari
si sono considerevolmente diffuse dato il vantaggio economico derivato;
Possibilità di far funzionare le pompe in luoghi isolati e ricchi di intemperie;
3.3)
LA POMPA SOLARE.
In uno spazio di appena 6 m² circa è possibile costruire un accesso alla rete idrica, il tutto
senza alcun bisogno di attaccarsi a una fonte di corrente elettrica, in dettaglio:
a) Viene costruito un pozzo profondo dai 70 ai 100 metri, fino a raggiungere la falda acquifera
(ove disponibile, può essere riattivato un pozzo preesistente);
b) Viene calata la pompa all’interno della falda, assicurandosi che sia della valenza necessaria;
c) La pompa viene collegata ai pannelli fotovoltaici e a un serbatoio;
Il serbatoio è necessario in quanto queste pompe non dispongono di batterie, quindi
funzionano esclusivamente durante le ore diurne. Il serbatoio fa sì che la riserva idrica sia
disponibile anche nelle ore notturne, senza la necessità che la pompa sia in funzione.
Non è necessario un serbatoio di grosse dimensioni, uno di 3000 l è più che sufficiente per la
notte.
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3.4)
IL RENDIMENTO.
Come evidenziato dalle
tabelle sotto riportate, una
normale
pompa
fotovoltaica disponibile in
commercio
può
estrarre, con una prevalenza di
oltre 60 metri, fino a
1600 litri/ora.
Tenendo conto che la
pompa
funziona
esclusivamente durante il giorno e che la durata media di un giorno di Sole sulla fascia
equatoriale è di circa 12 ore e 30 minuti si arriva ad un’estrazione giornaliera di oltre 19.000
litri.
Il consumo medio pro-capite in Africa Centrale va dai 6 ai 10 litri giornalieri, con questa pompa
il numero di individui che possono avere acqua a sufficienza per avere una condizione di vita
accettabili (40 litri pro-capite giornalieri secondo l’ONU) è circa 475.
Questo significa che una singola pompa può soddisfare il fabbisogno di un villaggio di medie
dimensioni.
Si riportano i dati di dimensionamento per un impianto in Rabat (Marocco), con pompa
PS1200 HR-10 (costruttore Lorentz, prevalenza fino a 80 m, portata fino 1,9 m³/h) e n. 4
moduli fotovoltaici da 180 W.
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Grafico della portata giornaliera (m³/h) nei vari mesi dell’anno.
Grafici della portata (m³/h) in relazione alla potenza del motore della pompa ed alla
prevalenza.
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3.5)
IMPIANTI DI POMPAGGIO CON POMPE SOLARI REALIZZATI DALLA XY S.p.A.
Gli impianti realizzati dalla nostra azienda in Africa sono costituiti dai seguenti elementi:
Da n. 4 a n. 6 moduli fotovoltaici in silicio mono o poli cristallino di dimensioni standard e
potenza fino a 250 Wp;
Regolatore di controllo;
Pompa solare;
Serbatoio di accumulo;
Impianto idrico distribuzione acqua;
Shelter contenimento/protezione impianto;
3.5.1 Moduli fotovoltaici
Una caratteristica peculiare dei nostri impianti, che ci differenzia da altri produttori, è l’impiego di
moduli fotovoltaici di caratteristiche standard, per intenderci gli stessi che vengono utilizzati
negli impianti fotovoltaici di grandi dimensioni, con il vantaggio di una più semplice reperibilità
sul mercato. Le dimensioni dei moduli che possono essere montati sui nostri impianti sono infatti
1650x99x4,5 mm (corrispondenti a quelle della maggior parte di quelli in commercio). Per
l’installazione in zone particolarmente calde impieghiamo moduli in silicio policristallino. La
potenza di picco è 230÷250 Wp. I moduli da noi utilizzati hanno una garanzia di 10 anni per i
materiali ed i difetti di fabbricazione e di 25 anni per quanto attiene la producibilità (al
venticinquesimo anno è garantita una producibilità dell’80% del valore iniziale).
Principali caratteristiche dei moduli fotovoltaici impiegati
Modulo FV
Tipo Pmax Imp Vmp Isc
Policristallino
[Wp] [A]
[V]
[A]
230
Wp (1)
230 7,8
29,5 8,4
(1650x990x40mm)
240
Wp (2)
240 8,14 29,5 8,65
(1650x990x40mm)
250
Wp (2)
250 8,15 30,7 8,63
(1640x992x35mm)
(1)
(2)
Voc Peso
[V] [kg]
37,0 19,1
37,5 19,1
37,4 18,2
Yingli Solar YGE
Suntech STP
3.5.2 Regolatore di controllo
Tale apparato regola tutto il sistema di sollevamento acqua e controlla lo stato delle
operazioni, rendendo possibile la modifica della velocità del flusso dell'acqua a proprio
piacimento, fino a ridurla di un massimo del 30%. Il Controller è montato in superficie,
all’inerno dello shelter, e quindi non presenta componenti elettronici sommersi. E' provvisto
inoltre delle seguenti protezioni:
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contro polarità inversa;
contro il sovraccarico;
contro il surriscaldamento.
3.5.3 Pompa
Impieghiamo pompe dei maggiori costruttori mondiali (ad esempio la tedesca Lorentz). Le che
utilizziamo hanno il corpo interamente in acciaio Inox e sono formate da due parti, motore +
pompa idraulica. Il motore è di tipo Brushless in DC in bassa tensione protetto da 1cm di
spessore di calotta in acciaio inox rivestito da cromo ultra resistente. La parte idraulica è in
acciaio Inox a giranti ed è resistente alle abrasioni (pietrisco e argilla), non necessita di pulizia
e ha una lunga durata.
Caratteristiche:
Motore DC Brushless;
IP68, pressione bilanciata, senza limiti di
sommersione;
Cuscinetti radenti dinamici, materiale:
carbonio / ceramica
Materiale delle parti bagnate: acciaio
inossidabile (AISI316), POM, gomma;
Protezione contro il funzionamento a
secco;
Pompa elicoidale (volumetrica);
Rotore in acciaio inossidabile, cromato
duro, resistente all'abrasione;
Autopulente.
Le caratteristiche della pompa (tipo, potenza, portata e prevalenza) saranno determinate dai
nostri tecnici in base alla tipologia d’installazione.
3.5.4 Serbatoio
Utilizziamo serbatoi in polietilene lineare che, alle eccezionali proprietà del materiale
(leggerezza, resistenza alle sollecitazioni meccaniche, resistenza chimica, elasticità e
resilienza), aggiungono una durata superiore di esercizio ininterrotto, grazie anche alla
additivazione di agenti anti U.V.
Impieghiamo serbatoi certificati, perfettamente idonei per l’acqua alimentare, non trasparenti
(sono colorati in massa per estrusione), in modo da impedire al 100% la formazione di alghe,
mantenendo così la perfetta potabilità e gradevolezza all’acqua. I nostri serbatoi sono corredati
di serie con tappi e raccordi. La capacità del serbatoio da utilizzare sarà determinata dai nostri
tecnici in base alle specifiche esigenze del sito d’installazione.
3.5.5 Impianto idrico
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Impieghiamo tubi di polietilene alta densità PE 100 di colore nero con linee azzurre coestruse
per il trasporto di acqua potabile e da potabilizzare, e/o per il trasporto di fluidi alimentari,
conformi alla norma UNI EN 12201, rispondenti alle prescrizioni igienico sanitarie del
Ministero della Sanità relativa ai manufatti per liquidi alimentari. (Decreto Ministeriale n. 174
del 6 Aprile 2004) e conformi alla norma UNI EN 1622 “determinazione della soglia di odore di
sapore”. In alternativa possiamo impiegare tubazioni in acciaio senza saldature, filettabile, a
Norme UNI ISO 7/1 UNI ISO 50.
Al difuori dello shelter di contenimento
delle apparecchiature, rendiamo disponibili
tre o più rubinetti con valvola a sfera, con o
senza portagomma
3.5.6 Shelter
Utilizziamo shelter coibentati, con struttura in acciaio zincato dello spessore di 15/10 mm e pareti
in pannelli sandwich (lamiera/poliuretano/lamiera) da 30 mm di spessore. Pavimento in truciolare
rivestito (portata 120 kg/m²). La struttura sarà rialzata da terra di circa cm.10-20 per favorire la
ventilazione e, di conseguenza, una maggiore durata. Per rialzare la struttura dello shelter, per
sostenere il peso del serbatoio e per dare stabilità al sistema shelter-moduli fotovoltaici, al disotto
dello shelter sarà realizzato un solettone in cemento armato (v. fig. sottostante)
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4) LAMPIONE FOTOVOLTAICO STRADALE CON ARMATURA A LED
Il nostro lampione fotovoltaico è costituito essenzialmente da:
Modulo fotovoltaico in silicio mono o poli cristallino di dimensioni standard e potenza fino
a 250 Wp;
Regolatore di carica delle batterie da modulo fotovoltaico, con crepuscolare;
N. 2 Batterie al GEL da 85 Ah, 12V, corazzate;
Armatura tipo stradale a LED per potenze da 24 a 48 W (flusso luminoso da 2400 a 4200
lumen);
Braccio porta armatura a LED, realizzato in acciaio zincato a caldo;
Supporto testapalo per modulo fotovoltaico con tilt variabile da 10° a 50°, realizzato in
acciaio zincato a caldo;
Palo in legno lamellare trattato (pino), altezza 4 metri, o in acciaio zincato per altezze fino a
8 metri;
Vano porta batterie e regolatore di carica, realizzato in acciaio zincato a caldo, verniciato
con polveri termoindurenti, dotato di serratura di sicurezza e di griglia di areazione, da
installare alla base del palo;
Blocco di fondazione.
4.1)
Modulo fotovoltaico
Come per gli impianti di pompaggio con pompe solari, una caratteristica peculiare dei nostri
lampioni stradali, che ci differenzia dalla maggior parte degli altri produttori, è l’impiego di moduli
fotovoltaici di caratteristiche standard. Per le caratteristiche si veda il precedente paragrafo
3.5.1
4.2)
Regolatore di carica
Il regolatore di carica controlla l‘intero flusso
energetico e garantisce nello stesso tempo
una mantenimento ottimale delle batterie,
evitando scariche profonde. I regolatori di
carica utilizzati nei nostri impianti sono di
primarie case costruttrici (ad esempio della
tedesca Steca) e sono appositamente
progettati per l’impiego in impianti
d’illuminazione di tipo stand alone. Il circuito
di carica dal modulo PV implementa un
efficiente algoritmo di ricerca del punto di
massima potenza (MPPT), in grado di
funzionare su un esteso campo di tensioni; è
ammessa una tensione massima sul modulo
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fino a 100 V. Il regolatore può caricare
indifferentemente batterie sia a 12V che a
24V; all’accensione il regolatore riconosce automaticamente se la batteria è a 12V o 24V e
automaticamente regola le soglie di ricarica.
Il regolatore è dotato di un display a cristalli liquidi (LCD) che ha lo scopo di mostrare lo stato di
lavoro del regolatore e degli accessori ad esso connessi (pannelli e accumulatori). Oltre a questa
funzione svolge anche un'attività di mantenimento della batteria evitandone sia il sovraccarico che
la sottoscarica. Queste funzioni vengono automaticamente svolte dal regolatore in base a delle
tensioni di soglia che sono rispettivamente HVD (tensione massima di disconnessione) e LVD
(tensione minima di disconnessione). In questo modo si dà la possibilità agli accumulatori di
mantenersi più efficienti e più a lungo nel tempo
Questi processi di disconnessione, svolti automaticamente dal regolatore, sono basati su un
parametro automaticamente calcolato e mantenuto aggiornato dal regolatore stesso, ossia il SOC,
cioè lo stato di carica della batteria.
Questo regolatore, per il calcolo del SOC, si serve di un circuito integrato all'avanguardia capace di
calcolarlo con un'ottima precisione. Il SOC è un parametro molto importante sul quale sono basate
le protezioni per il sovraccarico e la sottoscarica. Un ulteriore parametro basato sul SOC è l'LVR
(tensione di riallacciamento carico). Sfruttando questo parametro, il regolatore riesce a capire
quando gli accumulatori sono abbastanza carichi da poter essere riallacciati al carico (poiché con la
protezione LVD gli accumulatori potrebbero venire disconnessi dal carico).
Questo modello possiede la funzione di crepuscolare regolabile. Tramite i pulsanti presenti sul
pannello anteriore è possibile regolare precisamente per quante ore le lampade rimarranno accese
dopo che il sole è tramontato. Questo per evitare sprechi di corrente e risparmiare energia se non
utilizzata. Le modalità di utilizzo per l'illuminazione sono: manuale on-off, automatica dal tramonto
all'alba, automatica con numero di ore impostato, automatica con timer.
Il circuito integrato gestisce un orologio di sistema, infatti è possibile impostare orari precisi di
accensione/spegnimento del circuito lampade.
Nella confezione è presente anche un sensore di temperatura esterno che serve ad ottimizzare al
meglio il processo di carica grazie alla compensazione in temperatura di 5 mV/ºC.
Le caratteristiche tecniche principali del regolatore di carica sono le seguenti:
circuito stampato totalmente protetto
interfaccia utente Led che permette in qualsiasi momento una semplice lettura dello stato
della batteria
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4.3)
attacchi di grandi dimensioni, per consentire un semplice collegamento di moduli
fotovoltaici, delle batterie e del carico (lampada)
funzionamento estremamente efficiente, regolazione basata su MPPT
regolazione di tensione, con scelta automatica della tensione
soglia di disinserzione del carico a compensazione di corrente
reinserimento automatico del carico
compensazione temperatura
messa a terra comune su positivo o negativo di un morsetto
carica di manutenzione mensile
protezione da sovraccarica delle batterie
protezione da scarica profonda delle batterie
protezione contro l‘inversione di polarità del modulo, del carico e della batteria
fusibile di protezione elettronico automatico
protezione contro il cortocircuito sia del carico che del modulo
protezione contro le sovratensioni sull‘ingresso del modulo
protezione contro il funzionamento a vuoto senza batteria
protezione da corrente di ritorno durante la notte
protezione da sovratemperatura e sovraccarico
disinserzione in caso di sovratensione della batteria
display multifunzione a Led multicolori
Led per indicazione stato di funzionamento
funzione di illuminazione notturna impostabile
conformità agli standard europei (CE), alla direttiva ROHS, standard ISO 9001 e ISO 14001
opzioni: modulo di comunicazione Radio o GSM
Batterie al Gel
I nostri lampioni fotovoltaici a LED sono corredati di n. 2 batterie al gel, 12 V, 85 Ah, di tipo
sigillato, collegate in serie (la maggior parte degli altri produttori utilizza una sola batteria e
generalmente non al gel).
La batteria al GEL è un accumulatore al piombo-acido nel quale l’elettrolita non è liquido come
nelle più comuni batterie, ma assume la consistenza e l’apparenza di un composto gelatinoso.
L’elettrolita gelatinoso, il contenitore sigillato e la reazione chimica interna a “ricombinazione”
(VRLA) rendono tali accumulatori:
Realmente senza manutenzione (MF – “Maintenance Free”);
Immuni dal rischio di sversamento accidentale dell’acido liquido;
Adatti ad installazioni in prossimità di persone e di apparati elettronici.
Inoltre la conformazione gelatinosa dell’elettrolita garantisce una maggiore protezione alle piastre
durante la fase di scarica rendendo tali batterie particolarmente indicate ad applicazioni che
prevedono cicli di scarica molto “profondi”.
In condizioni di lavoro “pesante” in termini di numero di cicli di carica-scarica e profondità di
scarica e se sottoposta a corretta ricarica la vita utile di una batteria al gel è di circa 3 volte
quella di una comune batteria ad acido.
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Le applicazioni tipiche sono quelle nelle quali la batteria è soggetta a:
Scariche "profonde";
Elevato numero di cicli di carica-scarica;
Installazioni particolari dove non devono esserci rischi di sversamento accidentale o
perdite di liquido;
Ad applicazioni nelle quali non è possibile o non si vuole effettuare manutenzione.
I settori nei quali vengono diffusamente utilizzate sono:
Solare ed eolico stand alone;
Nautica da diporto e professionale;
Veicoli e macchinari elettrici;
Impieghi industriali.
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4.4)
ARMATURA STRADALE A LED
Per i nostri lampioni fotovoltaici a LED utilizziamo armature stradali a LED dei maggiori costruttori
(Philips, General Electric, Disano, ecc.). Le potenze impiegate vanno da 24 a 48 W (con flusso
luminoso da 2400 a 4200 lumen)
La tecnologia LED e sempre più utilizzata in ambito illuminotecnico in sostituzione di alcune
sorgenti di luce tradizionali. Il loro utilizzo nell'illuminazione pubblica, in sostituzione di lampade
al sodio o ai vapori di mercurio, è oggi possibile con notevoli risultati in termini di risparmio
energetico (fino al 60%) e bassi costi di manutenzione.
I principali vantaggi della tecnologia led rispetto alle tradizionali lampade a scarica sono:
Rispetto dell'ambiente (assenza di sostanze nocive quali vapori di mercurio, sodio, ecc.);
Maggiore durata (circa 50.000 ore contro le 610.000 delle lampade elettroniche);
Le lampade tradizionali, essendo omnidirezionali, diffondono la luce in tutte le direzioni ed è
quindi necessario adottare l'armatura di parabola per recuperarne metà. L'efficienza luminosa
finale è circa il 50% di quella emessa. Il Led invece è direzionale per costruzione ed emette un
fascio luminoso definito e quindi riduce al minimo l'inquinamento luminoso;
Nessuna emissione di radiazioni termiche ed ultraviolette: nessun danno mutageno alle persone
che alla pigmentazione monumentale e artistica, inoltre i led non attirano gli insetti.
Principali caratteristiche dei corpi illuminanti:
Corpo/Telaio/Ganci: In alluminio pressofuso;
Diffusore: vetro temperato, resistente agli shock termici e agli urti (prove UNI EN 121501/2001);
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Verniciatura: In diverse fasi. Ad immersione per cataforesi epossidica per la resistenza alla
corrosione e alle nebbie saline. Seconda mano di finitura con resina acrilica, ecologica,
stabilizzata ai raggi UV;
Dotazione: In caso di manutenzione si apre la cornice che rimane appesa tramite staffe.
Sezionatore di serie per il collegamento elettrico. Dispositivo automatico di controllo della
temperatura. Nel caso di innalzamento imprevisto della temperatura del LED causata da
particolari condizioni ambientali o ad un anomalo funzionamento del LED, il sistema abbassa il
flusso luminoso per ridurre la temperatura di esercizio garantendo sempre il corretto
funzionamento. Diodo di protezione contro i picchi di tensione;
Ottiche: In policarbonato V0 metallizzato ad alto rendimento con micro sfaccettatura.
Alimentazione: 12-24 V DC;
Temperatura di colore: 5000°K (a richiesta 2700, 4000 o 6000°K);
Isolamento classe II, peso 68 kg;
Montaggio: A sbraccio o a testapalo con possibilità di regolare l’inclinazione da +/-15°,+/-10° e
+/-5°;
Efficienza LED: 160 lumen/watt;
NORMATIVA: Prodotti in conformità alle norme EN 60598-1, EN 60598-2-1, EN 60598-2-3,
EN 60825-1, EN 55015.
4.5)
4.5.1
PALI
PALI IN LEGNO (altezze fino a 4 metri fuori terra)
Proponiamo lampioni fotovoltaici anche con
pali in legno lamellare perché, come nessun
altro materiale il legno è vivo, caldo, bello da
vedere e da toccare; il legno è nuovo ma antico,
fa da sempre parte della nostra storia e cresce
proprio come noi. Un materiale estremamente
naturale che vive in perfetta armonia con noi e il
nostro ambiente.
Utilizziamo il Pino di Svezia e il Pino
Continentale. Il reperimento dei legnami viene
sempre fatto con estrema attenzione alle
politiche di tutela ambientale e severi
programmi di riforestazione controllata nei
paesi d’origine.
Il legno lamellare viene ottenuto incollando diverse lamelle di legno l’una all’altra. Le lamelle, con
spessore dai 2 mm ai 33 mm, vengono precedentemente piallate, incollate con collante melamminico
atossico e resistente all’acqua e quindi sottoposte a ulteriore piallatura, per eliminare i residui di colla. Il
vantaggio è che il legno lamellare permette di ottenere profili di dimensioni difficilmente reperibili in
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PAG.
natura; le caratteristiche imperfezioni del legno (nodi e fenditure) si limitano alla sola lamella. Per
rendere le essenze di pino più resistenti contro gli attacchi di agenti esterni quali funghi, muffe e
marcescenze, viene utilizzato il metodo di impregnazione in autoclave, impiegando sali atossici privi di
cromo e arsenico. La nostra azienda acquista essenze che hanno subito processi di impregnazione in
autoclave conformi alla normativa europea DIN 68800/3 e certificati dall’Istituto RAL. I prodotti
impregnati in autoclave possiedono il caratteristico colore verde chiaro, dato dalla presenza del rame nei
sali utilizzati per il trattamento. Per chi desidera un colore più scuro, può essere richiesto come opzione.
La tinteggiatura viene effettuata con tintura all’acqua color noce e finitura a cera, sui prodotti
precedentemente impregnati in autoclave.
Lampione fotovoltaico con palo in legno realizzato a ………………
4.5.2
PALI IN ACCIAIO (altezze fino a 8 metri fuori terra)
Per i nostri lampioni fotovoltaici a LED, utilizziamo sostegni in acciaio di forma conica ricavati tramite
laminazione a caldo da tubo Fe 430 UNI 10025 con caratteristiche minime di resistenza a trazione
410560 N/mmq, carico unitario di snervamento 275 N/mmq. La protezione dei sostegni è ottenuta
attraverso zincatura a caldo secondo le norme UNI EN 40/4. I pali avranno una fascia di rinforzo in
acciaio con sovrastante fascia protettiva bituminosa nella zona della sezione d’incastro. I pali saranno
inoltre dotati di asola per passaggio cavi.
Il sostegno da 8 metri avrà le seguenti dimensioni normalizzate (UNI EN 40/2): altezza fuori terra H = 8
m, lunghezza totale 8, 8 m, altezza nominale 8 m, diametro alla base 139,7 mm, diametro in testa 65 mm,
peso 92 kg, spessore 3,8 mm.
4.6)
VANO PORTA COMPONENTI
Il vano porta batterie e regolatore di carica, è realizzato in acciaio zincato a caldo, verniciato con polveri
termoindurenti, dotato di serratura di sicurezza e di griglia di areazione e, a differenza degli altri
costruttori, il nostro viene installato alla base del palo. Abbiamo adottato questa soluzione ottenendo i
seguenti fondamentali vantaggi:
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PAG.
Facilità di accesso (senza mezzi di sollevamento) al vano porta componenti per le operazioni di
eventuale regolazione dei parametri del regolatore di carica e di sostituzione delle batterie (si ricorda
che i LED, posizionati in alto, invece hanno una vita tecnica di 50.000 ore, corrispondenti a circa 17
anni considerando 8 ore di accensione al giorno);
Minori carichi meccanici applicati al sostegno.
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PAG.
4.7)
FONDAZIONE
Il blocco di fondazione sarà opportunamente dimensionato in base alle caratteristiche del terreno ed al
tipo di palo. Sarà realizzato con calcestruzzo con resistenza caratteristica Rck=250 Dan/cm², armato con
tondini ad aderenza migliorata in acciaio feB44k, con piastra con tirafondi nel caso di palo in legno.
In caso di terreni di qualità media, in grado di assorbire sollecitazioni di lunga durata pari a 0,81
Dan/cm², il blocco di fondazione potrà avere le seguenti dimensioni orientative:
per pali in legno di altezza 4 metri fuori terra, 100x100x85 cm (lxpxh);
per sostegni in acciaio di altezza 8 metri fuori terra, 140x140x100 cm (lxpxh).
E’ comunque sempre consigliabile dimensionare il blocco di fondazione in base alle caratteristiche reali
del sito d’installazione.
.
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5) EOLICO, MINIEOLICO E MICROEOLICO
L'energia eolica è la conversione dell'energia del vento in una forma utilizzabile di energia, generalmente
grazie all'utilizzo di aerogeneratori che producono energia elettrica, tramite mulini a vento che
producono energia meccanica, pompe a vento che pompano l'acqua oppure ancora vele che spingono in
moto i natanti.
L'energia eolica convertita in energia elettrica è un'energia alternativa ai combustibili fossili,
abbondante, rinnovabile e a sostegno dell'economia verde, ampiamente distribuita, pulita, non produce
emissioni di gas serra durante il funzionamento e richiede una superficie di terra non eccessivamente
elevata. Gli effetti sull'ambiente sono in genere meno problematici rispetto a quelli provenienti da
altre fonti di energia tradizionali.
L'energia eolica è una fonte stabile di anno in anno, ma ha una variazione significativa su scale di tempo
più brevi. L'intermittenza del vento crea raramente problemi quando essa viene utilizzata per fornire fino
al 20% della domanda totale di energia elettrica, ma se la richiesta è superiore vi è necessità di particolari
accorgimenti e di una capacità di produzione da altre fonti. Si riporta una mappa dei venti relativa al
continente africano.
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PAG.
Dove kt (knot) è la velocità del vento espressa in nodi internazionali (1kt=0.514444 m/s). Come si evince
dalla suddetta mappa dei venti l’energia eolica è la più sfruttabile su larga scala nelle zone settentrionali
dell’Africa, in particolare modo, la costa mediterranea, e nelle parti più meridionali del continente.
La tendenza attuale del mercato vede la realizzazione di aerogeneratori sempre più grandi e potenti; le
macchine commerciali di taglia maggiore hanno una potenza di 5-6 MW e un rotore del diametro di oltre
120 metri. Uno solo di questi aerogeneratori, in condizioni di vento ottimale, può soddisfare il fabbisogno
di elettricità di quasi 5.000 famiglie. I generatori eolici di grande taglia sono adatti al funzionamento ti
tipo grid connect (connessi a rete di distribuzione pubblica).
Tuttavia, l'abbattimento dei costi di produzione delle turbine di grande taglia, grazie all'economia di
scala, ha portato molti benefici anche per il settore dei mini e micro generatori eolici. Oltre alla nostra
azienda, numerosi operatori del settore, nonché imprese emergenti, stanno investendo ingenti risorse
sulle macchine eoliche di piccola e piccolissima taglia. Le macchine di piccola taglia (minieolico, con
potenze da qualche kW a qualche decina di kW) e quelle di piccolissima taglia (microeolico, con
potenze fino al kW) ben si adattano ad impianti di tipo stand-alone (ad isola), specie se abbinati ad
altra fonte di energia (impianti ibridi eolico/ fotovoltaico, eolico/diesel, eolico/fotovoltaico/diesel, dove
per diesel s’intendono i gruppi elettrogeni).
5.1 CARATTERISTICHE TECNICHE
Tutti i generatori eolici ad asse orizzontale, al di là delle taglie (micro, mini o grande) e dei modelli,
presentano tre componenti fondamentali:
5.1.1. Il rotore
Le pale della macchina (di norma tre) collegate a un mozzo, formano il rotore. Le pale sono realizzate
solitamente in fibra di vetro o di carbonio. Esistono anche modelli monopala, bipala o multipala, che
tuttavia non sempre offrono un'efficienza complessiva paragonabile a quella dei generatori a tre pale.
I generatori tripala hanno inoltre una conformazione estetica più equilibrata e armoniosa e in fase di
funzionamento risultano più "riposanti" per l'occhio umano, rispetto ai modelli mono e bipala.
Il diametro del rotore può andare da un minimo di circa 1 metro, per i generatori di taglia inferiore a 1
kW, fino a oltre 120 metri nel caso di turbine da molti megawatt di potenza.
Grandi generatori eolici con rotore tripala
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PAG.
5.1.2. La navicella
Si tratta della cabina posta sulla sommità della torre. La navicella sostiene il mozzo del rotore e contiene
al proprio interno l'albero di trasmissione, il generatore elettrico e i sistemi di controllo (il rotore e la
navicella insieme formano quella che propriamente si definisce "turbina").
La navicella ha anche il compito di proteggere l'apparato elettrico e meccanico dai fenomeni atmosferici
e di ridurre la rumorosità in fase di esercizio. La navicella è adagiata su un cuscinetto e di norma è
progettata per ruotare orizzontalmente di 180° o anche di 360°, consentendo al rotore di allinearsi con la
direzione del vento.
Navicella in fase di installazione
Il direzionamento ottimale della navicella rispetto alla direzione del vento avviene, nei generatori di
grande taglia, grazie a un complesso "sistema di imbardata" di tipo elettro-meccanico, mentre i micro e
mini generatori sono normalmente dotati di un semplice timone direzionale.
Generatore micro eolico con timone direzionale
5.1.3. La torre
La torre ha il compito di sostenere il peso di navicella e rotore e di resistere a tutte le
sollecitazioni. Fondamenta in cemento armato fissano la torre al suolo, assicurando sicurezza e stabilità a
tutta la struttura. Soltanto per alcune installazioni davvero "micro" si può fare a meno delle fondazioni in
cemento.
Le torri più comuni sono quelle tubolari, realizzate in acciaio o in calcestruzzo e cave all'interno. Le torri
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PAG.
tubolari sono preferite soprattutto per il migliore impatto visivo rispetto alle torri strallate e a quelle a
traliccio.
L'altezza della torre è variabile e dipende anche dalle caratteristiche di ventosità del sito. Se per i micro
generatori eolici possono bastare torri di qualche metro, nel caso di aerogeneratori da molti megawatt
l'altezza al mozzo può superare anche i 100 metri.
Torre tubolare in acciaio
Mini/micro eolico con torre e cavi in acciaio, dotati di tenditori
Micro eolico installato su tetto
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5.1 IMPIANTO EOLICO STAND ALONE
In modo analogo a quanto avviene per il fotovoltaico, questa famiglia identifica quelle utenze
elettriche isolate da altre fonti energetiche, come la rete nazionale in AC, che si riforniscono da un
impianto eolico elettricamente isolato ed autosufficiente.
I principali componenti di un impianto fotovoltaico a isola sono generalmente:
generatore eolico
Regolatore di carica
Inverter (opzionale, serve solo se ci sono utilizzatori in AC)
Sistema di accumulo (batterie di accumulo)
Protezioni
In tale tipologia di impianti, l’energia prodotta dal generatore eolico viene immagazzinata in
batterie di accumulo. Il carico viene alimentato, attraverso il regolatore di carica, dall’energia
accumulata nelle batterie.
Le funzioni del regolatore di carica e dell’inverter sono del tutto analoghe a quanto descritto per gli
impianti fotovoltaici.
Appunti offerti dall’Ing. Maggi D. - A.S. 2014-2015 – Istituto Tecnico A. Volta - Guidonia M. (Roma)
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6) GRUPPI ELETTROGENI
In elettrotecnica il gruppo elettrogeno è una macchina costituita da un motore termico (a benzina, a gas,
ma più spesso diesel) accoppiato ad un generatore elettrico (alternatore), atta a produrre energia
elettrica a partire da energia termica di combustione tramite opportuna conversione, passando attraverso
una conversione intermedia in energia meccanica.
I gruppi elettrogeni più comuni producono C.A. (alternative current, corrente alternata) a bassa tensione,
monofase o trifase, con tensioni di uscita generalmente di 230 V monofase e 400 V trifase.
La gamma di potenze prodotte è molto ampia, variando dal kVA o meno dei piccoli gruppi elettrogeni ad
uso casalingo, alle migliaia di kVA dei grandi gruppi per uso industriale. Si possono classificare 2 tipi di
potenze:
PRP: Prime Power è la potenza massima che il generatore può fornire con carico variabile ed in
servizio continuo secondo le condizioni ambientali e di ciclo di lavorazione stabilite dal costruttore.
La potenza media in un giorno non deve superare, in genere, il 70% della PRP;
LTP: Limited Time runnig Power è la potenza massima costante erogabile nelle condizioni stabilite
dal costruttore per un numero massimo di 500 ore annue.
Esempio di gruppo elettrogeno trasportabile, in dotazione all'Esercito Italiano.
I gruppi elettrogeni possono lavorare in servizio continuo o in emergenza, a seconda dell'utilizzo (per
esempio a servizio continuo è il gruppo da cantiere senza alimentazione da rete, a servizio in emergenza è
il gruppo usato nelle sale operatorie ospedaliere, utilizzato in caso di mancanza di tensione di rete).
I gruppi elettrogeni possono lavorare su impianti Stand Alone in servizio continuo, se unica fonte di
energia elettrica, o in servizio alternativo a supporto del fotovoltaico e/o dell’eolico, in impianti ibridi.
Possono altresì lavorare in emergenza in impianti Grid Connect, intervenendo automaticamente in caso di
mancanza della tensione di rete.
Per i ns. impianti utilizziamo i più famosi produttori di motori e alternatori per gruppi elettrogeni:
Per i motori, Isotta Fraschini, Cummins, Deutz, Iveco, Volvo-Penta, Lombardini, Perkins, Ruggerini,
Guidetti - Condor, MWM, Same, John Deere, Caterpillar, Subaru;
Per gli alternatori (generatori), Stamford, Meccalte, Marelli, Sincro.
La nostra azienda Installa gruppi elettrogeni singoli o abbinati a fotovoltaico e/o eolico (impianti ibridi),
con potenze da qualche kVA fino a 2200 kVA per singola macchina.
Appunti offerti dall’Ing. Maggi D. - A.S. 2014-2015 – Istituto Tecnico A. Volta - Guidonia M. (Roma)
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PAG.
Esempio di piccolo gruppo
elettrogeno prodotto dalla
italiana Green Power, con
motore Subaru a benzina, 169
cc, un cilindro, monofase 230
V, PRP=2,3 kVA, LTP=2,5
kW, consumo 1,8 l/h al 75%
del carico.
Esempio di gruppo elettrogeno
prodotto dalla italiana Green
Power, con motore Volvo
Penta Diesel, 16120 cc, sei
cilindri, trifase 400 V,
PRP=500 kVA - 50Hz,
LTP=550 kVA - 50 Hz,
consumo 77,1 l/h al 75% del
carico.
Esempio di gruppo elettrogeno
prodotto dalla italiana Green
Power, Potenza LTP=172
kVA,
con
cofanatura
insonorizzante, per installazione interna od esterna.
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7) IMPIANTI IBRIDI
Per impianti ibridi s’intendo gli impianti realizzati utilizzando più di una tecnologia, ad esempio
fotovoltaico/eolico, fotovoltaico/diesel, eolico/diesel, fotovoltaico/eolico/diesel. Questi impianti
sono generalmente di tipo Stand Alone.
7.1 Fotovoltaico/eolico
I principali componenti di un impianto fotovoltaico/eolico a isola, ossia di un
elettricamente isolato ed autosufficiente, sono essenzialmente:
impianto
generatore fotovoltaico
generatore eolico
controller/regolatore di carica (Wind and Solar Hydrid controller)
Inverter (opzionale, serve solo se ci sono utilizzatori in AC)
Sistema di accumulo (batterie di accumulo)
Protezioni
I vantaggi di abbinare le due tecnologie, fotovoltaico ed eolico, derivano evidentemente dal fatto le
due fonti di energia pulita non sono disponibili con continuità e con regolarità sia nell’arco delle 24
ore che nell’arco dell’anno e spesso diventano complementari, garantendo un flusso di energia più
costante verso il sistema di accumulo e quindi verso l’utenza.
Appunti offerti dall’Ing. Maggi D. - A.S. 2014-2015 – Istituto Tecnico A. Volta - Guidonia M. (Roma)
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7.1 Fotovoltaico/eolico/diesel
I principali componenti di un impianto fotovoltaico/eolico/diesel a isola, ossia di un impianto
elettricamente isolato ed autosufficiente, sono generalmente:
generatore fotovoltaico
generatore eolico
generatore diesel (gruppo elettrogeno)
controller/regolatore di carica
Inverter
Invertet/caricabatterie
Sistema di accumulo (batterie di accumulo)
Protezioni
A titolo esemplificativo si riporta il seguente schema:
Legenda simboli:
A – moduli fotovoltaici;
B – inverter per la connessione in rete
(mono o trifase);
C – inverter/caricabatterie;
D – regolatore di carica;
F – generatori eolici con inverter;
G – gruppo elettrogeno (generatore
diesel);
H – sistema di accumulo (batterie);
L – load, carico (utenze a 230 o 400 V
in A.C.)
Appunti offerti dall’Ing. Maggi D. - A.S. 2014-2015 – Istituto Tecnico A. Volta - Guidonia M. (Roma)
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Il sistema ibrido funziona nel modo seguente. I generatori eolici (F) e parte dei generatori
fotovoltaici (A) vengono collegati, mediante gli inverter (B), direttamente al carico in A.C. Gli
inverter/caricabatterie (C, bidirezionali) caricano le batterie ed al tempo stesso alimentano il
carico in C.A. nel caso la potenza messa a disposizione dagli inverter (B) non sia sufficiente. Inoltre
è prevista la possibilità di collegare parte dei moduli fotovoltaici direttamente alle batterie (H) sul
lato D.C. mediante regolatori di carica (D).
Qualora il sistema non dovesse disporre dell’energia sufficiente per alimentare il carico, è
possibile far avviare automaticamente un generatore diesel (G), che alimenterà il carico e
contemporaneamente caricherà le batterie attraverso gli inverter/caricabatterie bidirezionali (C).
Se le batterie sono cariche, il generatore diesel (G) si disinserisce automaticamente. Il carico (L)
viene alimentato direttamente dai generatori (A ed F) sul lato A.C.
Nel caso la potenza disponibile sia insufficiente, gli inverter/caricabatterie bidirezionali (C)
provvedono a fornire la potenza necessaria supplementare dalle batterie, controllando la rete A.C.
Nel caso l’energia fornita dai generatori fotovoltaici (A) o dagli eolici (F) sul lato A.C. sia in eccesso,
gli inverter/caricabatterie (C) provvedono dapprima a caricare le batterie. Se le batterie sono
cariche e la potenza disponibile è sempre maggiore di quella richiesta dal carico (L), gli
inverter/caricabatterie (C) aumentano la frequenza sulla rete A.C. Gli inverter di rete (B)
disinseriscono quindi i generatori fotovoltaici (A) uno ad uno, fino a quando il bilancio energetico
dell’intero sistema è in equilibrio. Se il fabbisogno di carico (L) aumenta, gli inverter di rete (B)
inseriscono di nuovo i generatori fotovoltaici (A). In questo modo è possibile regolare
automaticamente grandi sistemi ibridi in A.C.
Possono essere impiegati generatori diesel (G) con potenza fino a circa 100 kVA. Così è possibile
realizzare sistemi ibridi in A.C. da circa 10 kW fino a più di 100 kW di potenza
Un vantaggio offerto dai sistemi ibridi consiste nel fatto che, per fare fronte ai periodi di
scarso irraggiamento, non è necessario un sovradimensionamento eccessivo del generatore
fotovoltaico. Ciò permette di risparmiare notevolmente sui costi. Nel sistema si utilizza
sempre in modo prioritario l'energia fornita dai moduli fotovoltaici e dai generatori eolici.
Associando ai moduli fotovoltaici ed ai generatori eolici una terza fonte di energia
comandabile (gruppo elettrogeno), l'alimentazione di energia è assicurata 24 ore su 24 in
ogni periodo dell'anno.
E’ possibile avere il monitoraggio a distanza del sistema, via GSM.
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