Moduli FV e la neve v1.1 - tf

I MODULI FOTOVOLTAICI
E LA NEVE
Dr. Thomas Friesen
Via Gerbiasco, 272
I – 21020 Mercallo (VA)
I moduli fotovoltaici e la neve
Oggi giorno l’impianto fotovoltaico deve essere progettato per una durata di almeno venticinque anni. Durante
questo periodo i moduli sono esposti alle condizioni climatiche ed eventuali altri fattori ambientali come
l’inquinamento. Per questo i moduli, il sistema di fissaggio e la struttura portante su cui poggiano devono resistere alle intemperie climatiche e ambientali. Escursione termica, umidità, vento, neve, grandine e
l’irraggiamento UV sono fenomeni climatici che determinano in modo rilevante la durata di vita dell’impianto.
Per alcuni luoghi d’installazione, in particolar modo nelle regioni alpine e prealpine, due fattori importanti da
tenere in considerazione sono lo stress dal carico da neve e da grandine che interagiranno sul sistema FV nel
corso della sua vita. Questi due stress possono causare anche il danno totale del modulo FV con la necessità
di rimpiazzo a volte difficili e costose. Per impianti a campo aperto la sostituzione può essere semplice, ma nel
caso che i moduli FV sono integrati per esempio in un tetto, la loro sostituzione sarà molto più laboriosa e costosa.
Questa prima monografia vuole illustrare l’impatto della neve sul modulo fotovoltaico, illustra le norme in vigore
e metodi di calcolo per il carico neve e da indicazioni per eseguire una progettazione corretta.
1. L’impianto fotovoltaico
I principali tipi d’impianti fotovoltaici illustrati nella seguente tabella si distinguono secondo il luogo
d’installazione e il loro grado d’integrazione nella costruzione. Secondo del tipo d’installazione il modulo FV sarà soggetto in modo diverso allo stress da carico da neve e di conseguenza sono diverse anche le considerazioni da tenere presenti nella fase di progettazione.
Tipologia d’impianto
Particolarità
Tetto a falda
Non integrato
Considerare la possibilità di
caduta neve su persone o cose sottostanti.
Tetto piano
Accumulo neve potrebbe aumentare il carico sul tetto.
Impianto a campo libero
Accumulo di neve sotto i moduli
Tetto a falda
Integrato
Considerare la possibilità di
caduta neve su persone o cose sottostanti.
Moduli in facciata
Integrati o non integrati
Nessun problema particolare
Tabella 1: tipologie d’installazioni fotovoltaiche e alcune particolarità
L’impianto fotovoltaico esposto all’ambiente è composto dal modulo, da una struttura portante e un fissaggio
tra modulo e struttura. In seguito saranno illustrati più in dettaglio questi elementi.
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I moduli fotovoltaici e la neve
1.1. Il modulo FV
Il principio costruttivo di un modulo FV non è cambiato nel tempo: un ’sandwich’ composto da uno strato superiore trasparente, un substrato e in mezzo un materiale polimero con inglobate le celle fotovoltaiche. Il polimero inglobante, in genere EVA, protegge le celle dagli agenti atmosferici e garantisce l’isolamento elettrico, il
substrato e il superstrato principalmente servono a proteggere le celle dall’esterno e garantiscono la stabilità
meccanica. Questo sandwich è chiamato laminato fotovoltaico se il substrato è composto da un polimero (ossia backsheet). Il modulo FV più comune è composto dal laminato munito di una cornice, di norma in alluminio
anodizzato, incollata con biadesivo o silicone. La cornice garantisce la stabilità meccanica e permette il fissaggio del modulo alla struttura di sostegno. Sul mercato sono presenti anche moduli con substrati in vetro formando detti moduli vetro-vetro, con o senza cornice.
Per l’argomento trattato è importante la resistenza meccanica del modulo che è determinata dal tipo di trattamento del vetro, dal suo spessore e dimensioni e dalla cornice. La seguente tabella riassume le caratteristiche
più comuni dei moduli in silicio cristallino e con film sottile.
Modulo
Strato superiore
Laminazione
Celle
Substrato
Cornice
Dimensioni
Peso
Silicio cristallino
vetro 3.2 o 4 mm temprato
EVA (più raramente PVB)
Silicio mono o poli cristallino
Polimero (p.e. Tedlar) o vetro
Alluminio anodizzato
Fino a 1000 x 2000 mm, h 40 mm
Fino a 22 kg
Film sottile
vetro 3.2 o 4 mm temprato
PVB (più raramente EVA)
Film sottile Si amorfo, CIGS, CdTe..
Vetro (float)
Alluminio anodizzato
1300 x 1300 mm, h 8 mm
10 kg
Tabella 2: design più comune e alcune caratteristiche dei moduli con celle a silicio cristallino e a tecnologia film sottile
(CIGS, CdTe o Si amorfo)
1.2. Fissaggio del modulo e la struttura portante
Il modulo FV deve essere fissato alla sua struttura portante in modo sicuro e affidabile. Il fissaggio non deve
richiedere nessun tipo di manutenzione per tutta la durata di vita del sistema FV e la struttura portante deve
essere costruita in materiali resistenti alle influenze climatiche. Esistono diversi metodi di fissaggio del modulo
FV a secondo del tipo di modulo e della struttura.
Tipologia di fissaggio
Morsetto
Morsetto pre assemblato per
moduli con cornici
(Morsetto finale e centrale)
www.fischeritalia.it
Morsetto per moduli film sottile
senza cornice o laminati
www.megasol.ch
Pagina 3
Struttura
I moduli fotovoltaici e la neve
Porta moduli a incastro
Moduli incollati su una struttura
(tetto metallico, facciata,…)
Tabella 3: alcuni esempi fissaggi per moduli e relative strutture portanti
Le combinazioni tra tipologia d’impianto, design del modulo e metodo di fissaggio sono numerose. Ogni progetto richiede il suo studio non solo dal punto di vista elettrico, ma anche meccanico e edile. Inoltre deve essere anche progettata e costruita secondo le richieste meccaniche tenendo conto del carico da neve e vento definite nello standard EN 1991.
2. La neve
L’altezza delle nevicate e lo spessore del
manto nevoso sono indicati in cm.
L’altezza della neve caduta fino alle 7.30
di mattina da un giorno all’altro è definita
come altezza della nevicata U. Si deve,
però, distinguere tra l’altezza della nevicata U e lo spessore C del manto nevoso
sul suolo come descritto in figura 1.
È’ da notare che la neve fresca dello
spessore U1 con il tempo si compatta a
causa del suo
Figura 1: Altezza del manto nevoso formato dalle nevicate di altezza U
stesso peso e delle
condizioni climatiche, come la temperatura e l’umidità dell’aria. Lo spessore del manto
nevoso diminuisce anche per scioglimento o per sublimazione. Se sul suolo è presente un manto nevoso compattato C1, formato dalla prima nevicata U1, con una nuova
nevicata con un’altezza U2 lo spessore della coltre nevosa aumenta aggiungendosi
allo spessore della nevicata compattata C1. Il nuovo spessore del manto nevoso è C 2.
A causa della compattazione e dello scioglimento l’altezza del manto nevoso non è la
somma delle altezze delle singole nevicate, bensì risulta essere inferiore. Figura 2 illustra la stratificazione del manto nevoso sul terreno formato dalle nevicate.
La neve è distinta in quattro tipologie:
Figura 2: stratificazione del
Il peso specifico (peso per volume) della neve è misurato in N/m3 e può variare nomanto nevoso.
tevolmente - come indicato nella Tabella 4 - a secondo delle condizioni climatiche.
Tipologia di neve
Appena caduta
Fresca
Dopo alcuni giorni senza pioggia o diCompatta
sgelo
neve dopo alcune settimane
Vecchia
Umida
Pagina 4
neve bagnata da pioggia o da elevate
temperature
Peso specifico (N/m3)
Densità (Kg/m3)
500 – 2000
50 – 200
1000 – 3000
100 – 300
2500 – 5000
200 – 500
3000 – 7000
300 – 700
I moduli fotovoltaici e la neve
3
3
Tabella 4: peso specifico in N/m e densità in kg/m delle quattro tipologie di neve
Il carico da neve – a differenza della sua densità - viene indicato in N/m3 (Newton / 1 N = 1 kg/(m2 sec) perché
il carico esercita una forza. Un carico di 10 N viene esercitato da una massa di 1 kg.
3. Il calcolo del carico da neve
Il carico provocato dalla neve sul modulo viene calcolato secondo gli standard in vigore, che sono l’ EN 19911-3 nella Comunità Europea e la SIA 261 in Svizzera. Oltre il metodo di calcolo gli standard indicano il carico
da neve da considerarsi per il luogo d’installazione del sistema FV. Il valore indicato nella norma per un luogo
equivale a una probabilità del 98% che nell’arco di cinquanta anni in un inverno si accumuli un tale carico.
L’impianto FV composto dai moduli e dalle strutture deve essere progettato e costruito per resistere a questo
carico.
Per calcolare il carico da neve sul modulo fotovoltaico si deve tenere conto dei seguenti parametri:
1. La regione climatica in cui si trova l’installazione fotovoltaica (cartina in figura 3).
2. L’altitudine sopra il livello del mare (s.l.m.) in cui è installato l’impianto (figura 4)
3. L’inclinazione del modulo FV (figura 4)
Figura 3: La suddivisione del Europa in zone climatiche
Figura 4: altezza della neve sul suolo e sul modulo
Lo standard EUROCODE 1991-1-3 definisce la seguente formula per calcolare il carico da neve S sul modulo:
𝑆 = 𝜇 ∗ 𝑐𝑒 ∗ 𝑐𝑡 ∗ 𝑆𝑘
S
μ
ce
ct
Sk
carico da neve sul modulo
coefficiente forma dato dalla inclinazione dei moduli
coefficiente correttivo per l’esposizione p.e. vento
coefficiente correttivo termico
carico da neve normalizzato sul suolo
Nei successivi capitoli andremo a spiegare i singoli passaggi per ottenere i calcoli corretti.
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I moduli fotovoltaici e la neve
3.1. Le regioni climatiche europee
La prima informazione necessaria è stabilire in quale regione climatica si trova l’installazione fotovoltaica. Figura 3 rappresenta gran parte del continente europeo suddiviso nelle sue regioni climatiche secondo la norma
EUROCODE 1991.
Per ciascuna regione climatica è stata stabilita una formula per il calcolo che andiamo a vedere nel capitolo
successivo.
3.2. Il carico da neve al suolo Sk
Per ogni regione climatica la normativa EN 1991-1-3 definisce l’equazione per calcolare il carico da neve Sk
normalizzato al suolo basata sulla storia delle precipitazioni e caratteristiche della zona.
Il carico normalizzato al suolo è definito come l’altezza che può raggiungere il manto nevoso al suolo senza
tenere conto di fattori che possono diminuire o aumentare l’altezza del manto nevoso. Le formule sono riportate qua di seguito:
𝐴
2
𝐴
2
𝐴
2
Regioni alpine
𝑆𝑘 = (0.642 × 𝑍 + 0.009) [1 + (728) ]
Regioni centro europee
𝑆𝑘 = (0.264 × 𝑍 − 0.002) [1 + (256) ]
Grecia
𝑆𝑘 = (0.420 × 𝑍 − 0.030) [1 + (917) ]
Zona mediterranea
𝑆𝑘 = (0.498 × 𝑍 − 0.209) [1 + (452) ]
Penisola iberica
𝑆𝑘 = (0.190 × 𝑍 − 0.095) [1 + (524) ]
Regione europea centro – occidentale
𝑆𝑘 = (0.164 × 𝑍 − 0.082) + 966
Svezia Finlandia
𝑆𝑘 = (0.164 × 𝑍 + 0.375) + 336
Gran Bretagna – Irlanda
𝑆𝑘 = (0.164 × 𝑍 − 0.1) + 501
𝐴
𝐴
2
2
𝐴
𝐴
𝐴
Le variabili usate nelle formule sono
Z numero della zona neve da 1 a 5 secondo EN 1991-1-3
A altitudine sopra il livello del mare in metri
3.3 Il coefficiente di esposizione c e
Lo spessore del manto nevoso, con l’esposizione al vento, può aumentare, a causa di un accumulo, o diminuire per asportazione. Il coefficiente di esposizione ce tiene conto ti questa variazione e corregge il carico della
neve normalizzato Sk tenendo conto dell’esposizione. Il coefficiente può assumere un valore tra lo 0.8 e l’1.2 a
secondo delle condizioni d’esposizione.
Il valore 0.8 indica una forte esposizione al vento con conseguente riduzione dello spessore del manto nevoso.
Il valore 1 indica un’esposizione normale e l’1.2 un’esposizione con possibilità di accumulo.
3.4. Il coefficiente termico ct
Il coefficiente termico ct tiene conto dello scioglimento elevato della neve causato, per esempio, da uno scarso
isolamento di un tetto. In genere questo coefficiente è uguale a 1 e solo in particolari situazioni il coefficiente
può essere scelto inferiore al valore 1.
3.5 Il coefficiente di forma μ
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I moduli fotovoltaici e la neve
Il coefficiente di forma μ coregge il valore Sk dell’altezza della neve al suolo tenendo conto dell’inclinazione α
dei moduli FV (vedi figura 4). Più inclinato è il modulo, meno neve si accumula e il carico diminuisce.
Per moduli inclinati con un angolo α inferiore a 30° (come nel caso di moduli su tetti industriali piani), l’altezza
neve al suolo viene corretta con il valore fisso di 0.8. Per un angolo d’inclinazione da 30° a 60° (è il caso di
moduli installati su un tetto a falda o in un campo libero), il valore μ decresce velocemente con l’aumentare
dell’inclinazione, mentre per pannelli inclinati con più di 60° non sarà necessario tenere conto del carico da neve visto che il coefficiente è 0.
1
coefficiente forma μ
0.8
  30   0.8
0.6
30    60   0.8 
0.4
(60   )
30
  60   0
0.2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
inclinazione modulo α (°)
Figura 5: coefficiente di forma μ per correggere l’altezza della neve in funzione all’inclinazione α del modulo
RIEPILOGO per eseguire il calcolo del carico neve
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Stabilire regione climatica europea
Stabilire zona neve
Stabilire altitudine dell’installazione
Calcolare carico neve al suolo con altitudine e zona neve
Valutare coefficienti di correzione
Calcolo valore carico neve
TUTTO IL SISTEMA FV COMPOSTO DA MODULO – FISSAGGIO – STRUTTURA DEVE SOSTENERE IL CARICO NEVE INDICATO DALLO
STANDARD.
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I moduli fotovoltaici e la neve
4. Il carico neve
4.1. Carico da neve per le regioni alpine
Figura 6 mostra la mappa per la regione alpina delle zone carico da neve Z da 1 a 4 secondo la norma EN
1991-1-3, tra qui anche quella italiana.
16
14
carico neve in funzione della
altitudine per le diverse zone
carico neve (kN/m 2 )
12
10
Zona 1
Zona 2
8
Zona 3
Zona 4
6
IEC
IEC alto
4
2
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
altitudine s.l.m. (metri)
Figura 6: Mappa del valore caratteristico del carico neve al suolo per la zona alpina
Figura 7: valore del carico neve per le differenti zone in funzione della
altitudine
Il carico da neve normalizzato Sk al suolo in funzione della zona neve Z - da 1 a 4 - e dell’altitudine A, viene
calcolato facendo riferimento alla norma con la seguente formula
𝑆𝑘 = (0.642 × 𝑍 + 0.009) [1 + (
𝐴 2
) ]
728
Sk altezza neve normalizzata al suolo
Z zona neve
A altitudine sopra il livello del mare (in metri)
Il carico da neve S minimo da considerare per tutta la regione alpina indipendente dalla zona e dell’altitudine è
di 900 N e l’altitudine massima per quale vale il calcolo è di 1500 m. Oltre a quest’altitudine si deve richiedere
il valore agli uffici competenti.
4.2. Il carico da neve per l’Italia mediterranea
L’Italia si divide in due zone climatiche – la regione alpina già trattata in 4.1 e la regione mediterranea.
Per la regione mediterranea vale la formula:
𝑆𝑘 = (0.498 × 𝑍 − 0.209) [1 + (
𝐴 2
) ]
452
Sk altezza neve normalizzata al suolo
Z zona neve
A altitudine sopra il livello del mare in metri
Il carico da neve s minimo da considerare per tutta la regione alpina indipendente dalla zona e dell’altitudine è
di 900 N e l’altitudine massima per quale vale il calcolo è di 1500 m. Oltre a quest’altitudine si deve richiedere
il valore agli uffici competenti.
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I moduli fotovoltaici e la neve
Figura 8: Mappa del valore caratteristico del carico neve
al suolo per la zona mediterranea
Figura 9: valore del carico neve per le differenti zone in funzione della altitudine
4.3. Austria
Anche l’Austria si è allineata alla normativa europea con l’ÖNORM B 1991-1-3. Viene utilizzata sempre la formula per la zona alpina come in capitolo 4.1. ma con fattori per le zona Z leggermente diversi come illustrato in
figura 10.
Zona 2*
Zona 2
Zona 3
Zona 4
Z = 1.6
Z=2
Z=3
Z=4
Figura 10: Mappa del valore caratteristico del carico neve al suolo per l’Austria
Figura 11: valore del carico neve per le differenti zone in funzione
della altitudine
Il carico da neve S minimo da considerare per tutta la regione alpina indipendente dalla zona e dell’altitudine è
di 900 N e l’altitudine massima per quale vale il calcolo è di 1500 m. Oltre a quest’altitudine si deve richiedere
il valore agli uffici competenti.
4.3. Il carico da neve in Svizzera
Per il territorio svizzero il carico da neve viene calcolato secondo la norma SIA 261-1. Il calcolo non è eseguito
con le diverse zone di carico da neve Z e l’altitudine A come nella norma europea, ma con un’altitudine h0 corretta in funzione della zona con un fattore da -200 m a +500 m come visualizzato nella cartina in figura 12.
La seguente formula di calcolo di fatto si differenzia per la sostituzione del fattore Z con l’altitudine corretta h0
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I moduli fotovoltaici e la neve
2

 h0  
2
sk  0.4  1  
  kN / m
350






Il carico da neve minimo da considerare per tutta la Svizzera è di 900 N e il calcolo vale fino a un’altitudine di
2000 m. Per installazione ad altitudini maggiori si deve richiedere il valore agli uffici competenti, p. es. uffici
tecnici comunali.
Il grafico in figura 13 visualizza il carico da neve calcolato secondo la formula per le diverse altitudini con correzione h0 in funzione all’altitudine dell’impianto fotovoltaico.
Figura 12: mappa delle zone neve in Svizzera
Pagina 10
Figura 13: valore del carico neve per le differenti zone in funzione della altitudine
I moduli fotovoltaici e la neve
5. La prova meccanica dei moduli fotovoltaici
Nell’introduzione abbiamo illustrato brevemente le numerose possibilità d’installazione fotovoltaiche legate al
tipo di modulo e al suo design costruttivo, compreso il tipo d’impianto e il suo luogo d’installazione.
Il design del modulo FV viene qualificato secondo gli standard IEC (International Electric Committee):
 IEC 61215 per i moduli terrestri di silicio cristallino
 IEC 61646 per i moduli terrestri a film sottile
Entrambi gli standard prevedono la prova di carico meccanico. Lo scopo di questa prova è di verificare la resistenza del modulo alle sollecitazioni meccaniche statiche con l’obiettivo di simulare il carico da neve e le sollecitazioni del vento costante. Il test eseguito a temperatura ambiente non tiene conto dei possibili cambiamenti
delle caratteristiche per materiali a basse temperature come potrebbe avvenire in realtà.
Per valutare lo stato iniziale e finale del modulo in prova devono essere eseguiti test e misure di controllo in
accordo con gli standard IEC:
I.
II.
III.
IV.
Ispezione visiva: Nessun difetto visivo come celle rotte, delaminazioni, interruzioni dei collegamenti
elettrici come definito nello standard IEC 61215 e 61646 cap 10.1.
Misura d’isolamento elettrico: a una tensione di 3000 V l’isolamento delle celle deve essere maggiore
di 40 MOhm * m2
Misura d’isolamento in ambiente umido: a una tensione di 1000 V l’isolamento delle celle deve essere
maggiore di 40 MOhm * m2
Misura della massima potenza del modulo a condizioni standard (STC)
Per verificare i danni causati dalla prova di carico meccanico alle celle FV, si utilizza la fotografia a elettroluminescenza (EL). Questa tecnica sviluppata negli ultimi anni permette di visualizzare le celle come in una radiografia. Per eseguire la foto si applica una tensione alle celle del modulo in modo che passi corrente – in genere per moduli in silicio viene scelta la corrente di corto circuito. La tensione provoca l‘emissione di fotoni con
una lunghezza d‘onda caratteristica per il silicio di 1100 nm. In forma semplificata, si tratta dell’inversione
dell’effetto fotovoltaico come illustrato in figura 14.
Per visualizzare eventuali danni è necessario ‘fotografare’ il modulo prima e dopo la prova al fine di permettere
il confronto. Per la valutazione della funzionalità del modulo non esiste ancora uno standard.
Figura 14: Principio di funzionamento elettroluminescenza
Figura 15: fotografia EL di un modulo danneggiato dalla
prova di carico meccanico.
5.1. Prova di carico meccanico secondo standard IEC 61215 e 61646
Nella sequenza di prova per la qualifica IEC il carico meccanico viene eseguito sul modulo ‘invecchiato’, ossia
dopo la prova umido statica di 1000 ore a 85°C e 85% di umidità relativa. La prova può essere eseguita anche
singolarmente per testare configurazioni di montaggio particolari rispettando sempre le regole per le prove iniziali e finali descritte prima. La prova dovrebbe essere eseguita da personale specializzato in un centro di prove accreditate ISO 17025 con strumentazioni e impianti controllati e tarati regolarmente.
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I moduli fotovoltaici e la neve
Il sistema di prova
Per l’esecuzione della prova è necessario avere un apparato che abbia la possibilità di esercitare delle forze
controllate sul modulo FV con i requisiti richiesti dallo standard IEC
-
Esercitare una forza sulla superficie del modulo con una tolleranza di 0 / + 100 pa
Esercitare la forza per 60 min
Una struttura rigida di montaggio per il modulo
Da notare che lo standard non determina come viene applicato la forza sul modulo. Il carico può essere applicato al modulo fotovoltaico con pesi come sacchi di sabbia o con una vasca d’acqua. In questi casi è necessario scaricare il modulo dal peso e giralo per caricare il retro. Il metodo con pistoni pneumatici muniti di ventose
permette di esercitare la forza sia in spinta che in tiro.(vedi ).
Figura 16: diversi sistema di prova per il carico meccanico: (a) con pistoni pneumatici,
(b) con pesi appoggiati manualmente, (c)
pesi appoggiati con un sistema meccanico
Procedura di prova secondo standard IEC
Il modulo FV viene fissato sulla struttura di prova seguendo le istruzioni di montaggio forniti dal produttore. Se
il produttore indica più metodi o punti di fissaggio, il modulo deve essere fissato in considerazione dei punti più
distanti tra di loro o con il metodo meno conveniente.
La prova IEC consiste in tre ripetizioni di un ciclo composto da un’ora di carico di 2400 pa sul fronte e un ora di
carico sempre di 2400 pa sul retro del modulo (vedi Figura 17). Se il sistema di prova è munito di pistoni
pneumatici, il carico frontale corrisponde alla spinta e il carico sul retro al tiro con i pistoni. Il carico di 2400 pa
rappresenta la velocità del vento di 130 km/h (± 800 pa) con un fattore di sicurezza 3. Per simulare carichi da
neve elevati, per l’ultima fase di carico frontale la forza può essere aumentata a 5400 pa.
Per tutta la durata della prova si monitora la continuità del circuito elettrico del modulo.
Figura 17: ciclo di prova secondo la norma IEC
Condizioni di superamento della prova
Per superare la prova il modulo deve passare i test di verifica: ispezione visiva, isolamento elettrico e per i
moduli cristallini la perdita di potenza dopo la prova non deve superare il 5%. Inoltre, durante la prova di carico
la continuità elettrica non deve essere mai interrotta.
5.3. Prove meccaniche per sistemi di montaggio
Nel capitolo precedente abbiamo illustrato la prova di carico meccanico che i moduli devono superare per essere qualificati IEC. La prova IEC è studiata principalmente per il modulo e non tanto per il sistema di montaggio. Per esigenze particolari un progettista può cambiare il metodo di fissaggio e la struttura di sostegno o usare i moduli standard per l’integrazione in edifici. In questi casi è indicato testare l’intero sistema composto dal
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I moduli fotovoltaici e la neve
modulo, il suo fissaggio e la struttura di sostegno. Figura 18 illustra come un sistema FV viene montato, più
completo possibile e nei limiti dimensionali del sistema, per l’esecuzione della prova come da indicazione dal
produttore.
Le condizioni di prova sono da stabilire per ogni struttura sotto test secondo le richieste normative e del progetto. Durante la prova il carico può variare nei seguenti modi:



Secondo il ciclo d prova IEC ma con carichi e tempi diversi
Aumento del carico passo – passo in trazione o pressione senza ritorno a zero
Aumento del carico passo – passo in trazione o pressione con ritorno a zero
Il carico massimo è stabilito dal valore richiesto dalla norma o la prova può essere proseguita fino a rottura di
un elemento della struttura per stabilire un valore limite permesso.
Figura 18: esempi di sistemi FV montati sul sistema di prova (SUPSI – SWISS PV module test centre)
I grafici in figura 19 illustrano lo spostamento verticale del modulo FV misurato con appositi sensori posizionati
su più punti del modulo, in genere in centro e sugli angoli, in funzione del tempo di prova. A sinistra è rappresentato il grafico per un modulo FV del tipo vetro / backsheet con cornice, montato con dei morsetti su una
struttura molto rigida. Il modulo ha in centro una massima escursione di ±40 mm e non mostra nessuna deformazione plastica.
Nel grafico in figura 19 (b) si può notare il comportamento di un modulo vetro - vetro a film sottile senza cornice. Si nota che il modulo vetro/vetro ha delle proprietà elastiche/plastiche e che da ciclo a ciclo la deformazione aumenta. Dal grafico si nota che durante la prova si è verificato una rottura durante il secondo ciclo.
Figura 19: Spostamento verticale
del modulo
(a) Grafico a sinistra: modulo Si
cristallino con cornice
(b) Grafico a destra: modulo vetro/vetro si nota la deformazione plastica – elastica da un ciclo al altro e un punto di rottura..
Questo tipo di prova dà indicazioni sul comportamento del modulo abbinato a diverse strutture di appoggio,
tipo di morsetti e punti di fissaggio. E ciò permette di trovare una configurazione ottimale.
Pagina 13
I moduli fotovoltaici e la neve
6. Problemi particolari causati dalla neve
Durante gli ultimi anni le esperienze sul campo hanno evidenziato diverse problematiche causate dalla neve
sui moduli, o per un difetto di progettazione – ad esempio non sono stati considerati i carichi giusti – o da problematiche particolari che andremo a esaminare nei prossimi paragrafi.
6.1. La caduta della neve dai moduli FV
Che la neve scivoli via dai moduli è una caratteristica normalmente desiderata: prima il modulo FV si libera
dalla neve, più energia viene prodotta. Ma, in certi casi, il fatto che la neve scivoli da un tetto fotovoltaico può
rappresentare un problema, e causa di possibili danni a cose o persone.
Quando, per esempio i pannelli sono montati sopra zone di passaggio pedonale o aree di parcheggio, la caduta della neve in modo improvviso e violento può creare seri danni a persone o automobili.
In questi casi è necessario prevedere la costruzione di tettoie sottostanti per prevenire la caduta della neve al
suolo, impedire l’accesso alle persone o prevedere ferma neve o zone di scarico sul tetto. Esistono sul mercato anche sistemi i quali sciolgono la neve sul modulo, o con una corrente inversa o con altri sistemi. Non per
ultimo il proprietario deve provvedere allo sgombero controllato del modulo dalla neve per prevenire danni.
La neve scivola via dai moduli molto prima e in modo più violento che da un tetto in tegole a causa del fattore
d’attrito molto basso tra neve e modulo con la sua superficie in vetro. Un film d’acqua può ridurre ulteriormente
il fattore d’attrito.
Figura 20: ferma neve per moduli FV
Figura 21: i moduli distanziati fermano la neve
6.2. Distacco della cornice dal laminato
Un problema riscontrato in particolare nelle zone alpine in bassa quota o nelle zone pre-alpine è il distacco
della cornice dal laminato a causa di un carico eccessivo come mostrato nella figura 22.
Questo fenomeno può accadere quando un primo strato di neve bagnata gela sul modulo. Questo strato di
ghiaccio fa si che tutta la forza di carico agisce sulla cornice come illustrato in figura 23. Se questa forza supera la forza dell’incollaggio tra cornice e laminato, la giunzione cede. La giunzione è inoltre indebolita a causa
delle basse temperature e dai tempi prolungati in qui agisce la forza. Con il distacco della cornice viene a
mancare la rigidità strutturale del modulo e il suo sfondamento è molto probabile.
È in preparazione una prova IEC in laboratorio per testare la resistenza al distacco della cornice.
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I moduli fotovoltaici e la neve
Figura 22: distacco della cornice dal laminato causato dal
carico di neve
Figura 23: distacco della cornice dal laminato causato dal
carico di neve
6.2 Rottura del modulo FV causata da accumulo di neve
Dopo inverni molto nevosi si è riscontrato in installazioni fotovoltaiche su campo aperto e più raramente su tetti
piani, la rottura dei moduli nella fila inferiore più vicina al suolo.
Come illustrato nella figura 22, la neve scivolando si accumula ai piedi della struttura di sostegno e sulla fila
inferiore dei moduli. Qui, se non c’è spazio sufficiente, si forma un accumulo di neve che esercita una forza di
carico eccessiva provocando la rottura del modulo. I laminati senza cornice sono più soggetti alla rottura che i
moduli con cornice.
Per evitare questo tipo di rottura è sufficiente tenere conto dello spazio tra modulo e terreno e montare i pannelli a un’altezza sufficientemente sicura. Quest’accorgimento porta anche a una maggiore produzione
d’energia, visto che i moduli tendono e essere velocemente sgombri dalla neve.
Figura 22: distacco della cornice dal laminato causato dal
carico di neve
Figura 23: accumulo di neve sotto i moduli
6.4. Carico aggiuntivo su un tetto piano
L’installazione di un impianto FV su un tetto piano può causare problemi particolari legati all’accumulo di neve.
Il carico neve sul tetto può aumentare in modo anomalo a causa del accumulo di neve tra i moduli originato dal
vento e dallo scivolamento.
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I moduli fotovoltaici e la neve
Figura 24: accumulo di neve
dai moduli su un tetto piano
causato
7. Conclusioni e riassunto
Un sistema fotovoltaico deve essere progettato secondo la norma EN 1991-1-3 che definisce il carico il quale
è sottoposto l’impianto FV ed eventuali altre norme in vigore per il luogo d’installazione. Il modulo FV qualificato secondo lo standard IEC 61215 o 61646 è testato per un carico di 2400 pa o per 5400 pa per il carico neve
elevato. La seguente tabella mostra come, per le installazioni ad altitudini elevate nelle zone alpine, e soprattutto nelle regioni molto nevose, i carici da neve potrebbero superare questi valori. P. es. a 800 metri di altitudine 60 cm di neve bagnata supera il valore standard di 2400 pa e il valore di 5400 pa è sufficiente solo fino ad
altitudini di 1200 m.
carico neve (kN/m2)
Altitudine h0 (m)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
altezza neve (metri)
fresca
compatta
vecchia
1 kN/m3
2 kN/m3
3 kN/m3
0.90
0.45
0.30
0.90
0.45
0.30
0.90
0.45
0.30
0.90
0.45
0.30
0.90
0.45
0.30
0.90
0.45
0.30
1.58
0.79
0.53
2.00
1.00
0.67
2.49
1.24
0.83
3.04
1.52
1.01
3.67
1.83
1.22
2.18
1.45
2.55
1.70
2.96
1.97
3.40
2.27
3.87
2.58
2.92
3.28
3.66
0
0.90
0.90
0.90
0.90
0.90
0.90
1.58
2.00
2.49
3.04
3.67
4.35
5.10
5.92
6.80
7.75
8.76
9.84
10.98
12.19
13.46
umida
4 kN/m3
0.23
0.23
0.23
0.23
0.23
0.23
0.39
0.50
0.62 IEC norm
0.76
0.92
1.09
1.28 IEC alt
1.48
1.70
1.94
2.19
2.46
2.74
3.05
3.37
:
3
3
Tabella 5: peso specifico in N/m e densità in kg/m delle quattro tipologie di neve
Inoltre, è necessario tenere conto di alcuni fattori in fase di progettazione per un impianto fotovoltaico. Le diverse tipologie d’impianto richiedono differenti considerazioni:
-
A CAMPO LIBERO: valutare solo il carico da neve secondo l’inclinazione del modulo. Considerare
l’accumulo della neve ai piedi dei pannelliINSTALLAZIONI SU TETTO PIANO: valutare eventuale carico aggiuntivo a causa dell’accumulo– accumulo da vene
INSTALLAZIONE SU TETTO A FALDA: valutare i rischi dati dalla caduta neve – carichi aggiuntivi se
la neve si accumula
FV INTEGRATO in facciata: nessuna considerazione particolare da fare, a parte l’eventuale caduta di
neve su persone o cose sottostanti
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I moduli fotovoltaici e la neve
Alcune raccomandazioni:


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
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
Interpellare le autorità locali e/o competenti per verifica zona neve e il carico definito per il luogo
d’installazione
Rispettare tutte le norme e regole (EN, costruttive applicabili all’impianto FV)
La progettazione deve essere eseguita da tecnici competenti ed esperti.
Il montaggio di ogni installazione deve essere approvato da un esperto FV
Utilizzo di materiali e componenti testati e certificati: moduli FV, fissaggio – viti – bulloni, strutture
Se necessario richiedere garanzie aggiuntive ai fornitori.
Eseguire, se necessario, prove aggiuntive presso laboratori accreditati.
Montare i moduli con le stringhe delle celle in orizzontale per aumentare la produzione in caso di accumulo neve
Normative di riferimento:
IEC 61215 - Moduli fotovoltaici in silicio cristallino per applicazioni terrestri - Progettazione e Omologazione
IEC 61646 Moduli fotovoltaici a film sottili per usi terrestri - Progettazione e Omologazione
IEC 61730 Qualifica per la sicurezza dei moduli fotovoltaici
EN 1991-1-3
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Criteri generali di progettazione strutturale- Azioni in generale - Carichi da neve