Componenti principali di un impianto fotovoltaico – Guida alla progettazione di un Impianto Fotovoltaico pt. 2

Una crescente attenzione alla riduzione dell’inquinamento ambientale ha portato sempre più imprese ed enti a promuovere forme alternative di energia in termini di sostenibilità.

Il fotovoltaico è senza dubbio uno dei migliori sistemi di produzione di energia verde, poiché utilizza l’energia solare per generare elettricità senza produrre alcun tipo di inquinamento. Si tratta, quindi, di una soluzione ad impatto zero, dato che l’energia solare rappresenta una risorsa inesauribile e per di più gratuita. 

Optare per pannelli ad energia solare significa ridurre le emissioni di anidride carbonica e gas serra nell’atmosfera, senza sottoprodotti nocivi, accedendo ad una fonte energetica pulita.

La modularità dei pannelli solari permette di integrare i moduli sulle superfici esistenti delle abitazioni oppure sui terreni, minimizzando l’impatto ambientale e paesaggistico e preservando l’ambiente naturale circostante.

Inoltre, i pannelli solari garantiscono la possibilità di conseguire un notevole risparmio energetico ed economico e possono essere installati rapidamente.

Elementi principali di un impianto fotovoltaico

La tecnologia fotovoltaica consente di convertire istantaneamente l’energia solare in una forma utilizzabile di energia senza l’uso di combustibile grazie all’effetto fotoelettrico. La luce solare provoca l’emissione di elettroni nel materiale semiconduttore, che viene poi trasformata in energia elettrica tramite un processo di separazione e raccolta delle cariche. Quindi, questo processo contribuisce alla produzione di energia rinnovabile e sostenibile.

Gli impianti fotovoltaici possono essere connessi alla rete elettrica di distribuzione (grid connected), o possono funzionare come utenze isolate (stand alone) per fornire energia in zone remote, lontane dalla rete elettrica. 

Vediamo quali sono gli elementi principali degli impianti fotovoltaici:

• pannelli o moduli fotovoltaici;
• generatore fotovoltaico, costituito da moduli fotovoltaici;
• quadro di stringa o quadro di campo;
• sistema di conversione della potenza (inverter);
• accumulatore di energia (batteria);
• quadro in corrente alternata e generale;
• contatore di energia prodotta e scambiata;
• dispositivi di protezione e cavi.

Questi elementi essenziali di un impianto fotovoltaico devono essere opportunamente collegati e configurati tra loro, in base alle specifiche tecniche di ciascun componente.

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Da quali elementi è composto il generatore fotovoltaico

Il generatore fotovoltaico è composto dai moduli o pannelli fotovoltaici, montati su una struttura orientata per massimizzare l’irraggiamento solare e sostenere i moduli stessi.

Ogni modulo contiene le celle fotovoltaiche che rappresentano il componente principale, poiché convertono la luce solare in corrente elettrica.

I pannelli, uniti in serie, formano una struttura ancorabile al suolo o agli edifici, chiamata pannello. Più pannelli collegati in serie costituiscono una stringa ed a sua volta più stringhe collegate insieme, di solito in parallelo, costituiscono il generatore fotovoltaico, fornendo la potenza necessaria per varie applicazioni.

In questo modo il sistema elettrico è in grado di fornire le caratteristiche di tensione e di potenza richieste per le diverse applicazioni. Infatti, grazie al collegamento in parallelo, non ci sono limiti pratici alla potenza che un sistema fotovoltaico può produrre.

La produzione di energia dipende dalla luce solare e dalla latitudine, con l’orientamento ottimale dei moduli verso sud, con un angolo di inclinazione di circa 32-45 gradi in Italia.

La produzione è influenzata dai cicli di luce solare, dalle stagioni e dalle condizioni meteorologiche, fornendo corrente elettrica in continua.

Moduli o pannelli fotovoltaici

I pannelli solari fotovoltaici sono strumenti che trasformano la luce solare in energia elettrica sfruttando l’effetto fotovoltaico. Questo fenomeno, basato sulle proprietà dei materiali semiconduttori, consente di generare corrente attraverso le celle fotovoltaiche.

Quando si valutano i moduli fotovoltaici è importante considerare diverse caratteristiche tecniche:

Dati geometrici

• Dimensioni fisiche: lunghezza, larghezza e spessore (mm)
• Peso del modulo (kg)
• Numero totale di celle presenti

Dati elettrici alle Condizioni di standard test conditions (STC: irraggiamento 1000 W/m², temperatura 25 °C):

• Potenza di picco massima erogata (Wp): La potenza di picco è definita come la potenza elettrica che un pannello fotovoltaico può generare quando è esposto a una radiazione solare standard di 1000 watt per metro quadrato (W/m²) a una temperatura di celle di 25°C e con un angolo di incidenza ottimale. Le condizioni standard includono anche una massa d’aria di 1.5 e un irraggiamento solare di 1000 W/m².
• Tensione alla massima potenza – Vmp (V): Tensione alla massima potenza (Vmp) è la tensione elettrica ai terminali di un modulo fotovoltaico quando questo opera al punto di massima potenza (Maximum Power Point, MPP). Questo punto rappresenta la condizione ottimale di funzionamento del modulo, in cui il prodotto della corrente (I) e della tensione (V) raggiunge il massimo valore possibile.
• Efficienza del modulo (%): La capacità di un pannello fotovoltaico di convertire l’energia solare in energia elettrica per unità di superficie. Questa efficienza è massima alle condizioni STC.

• Tensione in circuito aperto – Voc (V): Massima tensione elettrica che un dispositivo fotovoltaico può produrre quando non è collegato a nessun carico esterno o circuito, quindi quando non scorre corrente attraverso di esso.
• Corrente alla massima potenza – Imp (A): Corrente elettrica che un modulo fotovoltaico eroga quando opera al punto di massima potenza (Maximum Power Point, MPP). Questo punto rappresenta le condizioni ottimali di funzionamento del modulo, in cui il prodotto della corrente (I) e della tensione (V) raggiunge il massimo valore possibile.
• Corrente di corto circuito – Isc (A): Massima corrente elettrica che un dispositivo fotovoltaico può generare quando i suoi terminali sono direttamente collegati tra loro, creando un circuito con resistenza praticamente nulla.

Altri dati tecnici

• Coefficiente di temperatura in corrente di corto circuito (%/°C): Variazione dell’intensità della corrente di corto circuito al variare della temperatura di lavoro della cella fotovoltaica. È un valore positivo che permette di calcolare la Isc alle temperature reali di lavoro della cella.
• Coefficiente di temperatura a circuito aperto (%/°C): Variazione del valore della tensione di circuito aperto al variare della temperatura di lavoro della cella fotovoltaica. È un valore negativo che permette di calcolare la Voc alle temperature reali di lavoro della cella.
• Coefficiente di temperatura della tensione alla massima potenza (%/°C): Variazione della tensione alla massima potenza al variare della temperatura di lavoro della cella fotovoltaica. È un valore negativo che permette di calcolare la Vmp alle temperature reali di lavoro della cella.
• Tensione massima di sistema supportata dal modulo (V): Valore massimo di tensione che il modulo può supportare.
• NOCT – Temperatura nominale di lavoro di una cella fotovoltaica (°C): il NOCT rappresenta la temperatura media di equilibrio di una cellaall’interno di un modulo quando è esposto a un’irradiazione di 800 W/m², una temperatura ambientale di 20 °C, una velocità del vento 1 m/s, e funzionamento a vuoto.

Queste specifiche sono fondamentali per garantire una corretta integrazione tra i moduli fotovoltaici e gli inverter:

• la minima tensione (Vmp,min) di stringa alla massima temperatura non deve essere inferiore alla minima tensione dell’MPPT dell’inverter;
• la massima tensione (Vmp,max) di stringa alla minima temperatura deve essere minore della massima tensione dell’MPPT dell’inverter;
• la massima tensione a vuoto (Voc) del generatore deve essere inferiore alla massima tensione tollerata dall’inverter;
• la corrente massima (Isc) della stringa non deve superare la massima corrente di ingresso dell’inverter;
• il dimensionamento in potenza deve essere compreso tra il 70% ed il 120%.

Le prestazioni di un pannello fotovoltaico dipendono principalmente da due variabili: la tensione e la corrente. La potenza prodotta si ottiene moltiplicando questi due valori. Queste variabili sono interconnesse e vengono rappresentate attraverso la curva I-V, un grafico che illustra il comportamento elettrico di un pannello fotovoltaico in varie condizioni di luce e temperatura.

La curva corrente-tensione è definita da due assi: l’asse delle ordinate (I) indica la corrente generata dal pannello, misurata in Ampere (A), mentre l’asse delle ascisse (V) rappresenta la tensione ai terminali del pannello, misurata in Volt (V). All’inizio della curva, la corrente rimane quasi costante mentre la tensione aumenta. In questa fase, il pannello opera con un’illuminazione elevata, generando la massima corrente possibile. Continuando ad aumentare la tensione, la corrente diminuisce rapidamente, segnalando condizioni di bassa illuminazione e minima corrente generata.

Due fattori principali influenzano la curva I-V: l’irradiazione solare e la temperatura. Un aumento dell’irradiazione solare sposta la curva verso l’alto, aumentando la corrente generata, mentre un aumento della temperatura la sposta verso il basso e a destra, riducendo la tensione di circuito aperto (Voc) e l’efficienza complessiva del pannello.

Nella curva sono definiti tre punti chiave:

• Punto di corto circuito (Isc): qui la tensione è zero e la corrente è massima, rappresentando la massima corrente generabile quando i terminali del pannello sono in corto circuito.
• Punto di circuito aperto (Voc): in questo punto la corrente è zero e la tensione è massima, indicante la massima tensione che il pannello può generare con i terminali aperti (senza flusso di corrente).
• Punto di massima potenza (Pmax): è il punto in cui il prodotto corrente-tensione (I*V) raggiunge il valore massimo. Questo punto è essenziale per determinare la massima potenza fornibile dal pannello, noto come MPP (Maximum Power Point).

La curva I-V viene utilizzata per:

• Dimensionamento del sistema: aiuta a scegliere componenti come inverter e batterie.
• Ottimizzazione delle prestazioni: consente di individuare il punto di massima potenza (MPP) per massimizzare l’energia prodotta.
• Monitoraggio e diagnostica: variazioni nella curva I-V possono segnalare problemi nel pannello o nel sistema fotovoltaico, come ombreggiamenti, guasti o degrado dei materiali.

In conclusione, la curva I-V di un pannello fotovoltaico è uno strumento fondamentale per comprendere e ottimizzare le prestazioni di un sistema fotovoltaico, offrendo dettagli sulla relazione tra corrente e tensione in diverse condizioni operative.

Basandosi sulle caratteristiche delle celle fotovoltaiche e dei moduli, ci sono diverse tipologie di pannelli fotovoltaici utilizzati per la produzione di energia solare.

Ecco una panoramica delle principali:

• Monocristallini: realizzati con singoli cristalli di silicio, sono efficienti e uniformi. Costosi ma ottimizzano l’energia solare grazie alla loro struttura, garantendo rese elevate su superfici ridotte.
• Policristallini: composti da frammenti di silicio fuso, sono meno efficienti ma più economici. Sono sensibili alle ombre ma sfruttano bene la luce solare.
• Film Sottile: utilizzano strati sottili di semiconduttori come il silicio amorfo oppure il tellururo di cadmio, offrendo versatilità d’uso e buone prestazioni anche in condizioni di luce diffusa o alte temperature.
• Organici: realizzati da materiali organici che possono essere stampati su superfici flessibili, offrendo potenzialmente costi di produzione più bassi e una maggiore versatilità nell’installazione.
• Alta Efficienza: utilizzano tecnologie avanzate per aumentare l’efficienza di conversione dell’energia solare, ad esempio attraverso celle solari a triplo giunzione o celle solari multi-giunzione.
• Integrati nell’Edilizia: sono progettati per essere integrati direttamente nelle superfici degli edifici, come tetti, facciate o persino finestre, offrendo un aspetto estetico migliore e una maggiore efficienza nello sfruttamento delle superfici disponibili.

Queste sono solo alcune delle tipologie più comuni, ma la ricerca nel settore dei pannelli fotovoltaici è in continua evoluzione, con l’obiettivo di migliorare l’efficienza, ridurre i costi e aumentare la versatilità delle applicazioni solari.

Quadro di stringa o quadro di campo

Il quadro di campo o di stringa è essenziale per proteggere gli impianti fotovoltaici dai fulmini diretti e dalle sovratensioni. Tutti gli impianti fotovoltaici devono essere dotati di dispositivi di protezione e manovra sul lato della corrente continua, ossia tra i moduli e l’inverter, per salvaguardare la linea, gli apparati elettrici e le persone. Esistono diverse tipologie di quadri, progettati in base alla configurazione e alle caratteristiche specifiche del campo fotovoltaico.

Le funzioni e i componenti principali del quadro di campo sono:

• Interruttori di protezione: questi dispositivi proteggono l’impianto da sovracorrenti e cortocircuiti. Possono essere interruttori magnetotermici o fusibili.
• Scaricatori di sovratensione (SPD): proteggono l’impianto dai picchi di tensione causati da fulmini o altre anomalie elettriche.
• Sezionatori: Ppermettono di isolare una parte del circuito per manutenzioni o interventi di emergenza senza dover disconnettere l’intero impianto.

È importante selezionare componenti di alta qualità e durabilità per garantire il successo e la longevità dell’impianto fotovoltaico. Una scelta attenta dei componenti non solo assicura la protezione adeguata contro i rischi elettrici, ma contribuisce anche a mantenere l’efficienza e la sicurezza operativa dell’impianto nel tempo.

Inverter

Un inverter fotovoltaico è un dispositivo elettronico essenziale per gli impianti solari, poiché converte la corrente continua (CC) prodotta dai pannelli solari in corrente alternata (CA), utilizzabile da elettrodomestici, strumenti di lavoro e reti elettriche.

L’inverter serve da ponte tra queste due forme di energia, assicurando che l’energia solare venga utilizzata in modo efficace e sicuro. Inoltre, regola la tensione e la corrente dell’energia elettrica generata, garantendo l’efficienza e la sicurezza del sistema fotovoltaico.

Esistono diverse tipologie di inverter, ciascuna con caratteristiche e funzionalità specifiche. Le principali categorie includono:

• Gli inverter standard si dividono in due sottotipi principali: inverter di stringa e inverter multistringa. Nel caso degli inverter di stringa ogni singola stringa è collegata ad un proprio inverter; mentre gli inverter multistringa, permettono di collegare due o più stringhe a delle unità gestite da MPPT (Maximum Power Point Tracking) indipendenti, ottimizzando così la connessione di stringhe con condizioni simili di inclinazione, orientamento e potenza.
• Gli ottimizzatori di potenza sono dispositivi installati su ciascun pannello solare, massimizzando l’output di ogni singolo modulo. Questo consente a ogni pannello di funzionare indipendentemente dagli altri, il che è particolarmente utile in presenza di ombreggiamenti o pannelli orientati in direzioni diverse. Sebbene più costosi, possono aumentare l’efficienza dell’impianto fino al 25%.
• I microinverter sono installati direttamente su ciascun pannello solare e gestiscono la conversione da CC a CA a livello del singolo modulo. Questa configurazione permette una maggiore ottimizzazione e flessibilità, migliorando la resa complessiva del sistema.
• Gli inverter ibridi (con accumulo) integrano funzionalità di gestione dell’energia e delle batterie di accumulo, permettendo di gestire la produzione di energia fotovoltaica e la ricarica/scarica delle batterie. Sono ideali per massimizzare l’autosufficienza energetica e la gestione efficiente dell’energia.

Per scegliere l’inverter più adatto al proprio impianto fotovoltaico, è necessario considerare vari dati tecnici, tra cui:

Dati geometrici:

• Dimensioni: lunghezza, larghezza e spessore (mm)
• Peso (kg)
• Tipo fase: monofase e trifase
• Tipologia inverter: standard o con ottimizzatori
• Dati lato corrente continua (CC):
• Potenza massima in ingresso (W): Quantità massima di potenza che l’inverter può gestire in entrata dai pannelli solari.
• Numero ingressi: Determina come i pannelli solari possono essere collegati all’inverter e influisce sulla flessibilità e sull’efficienza del sistema.
• Tensione massima in ingresso, Voc (V): La tensione a circuito aperto in ingresso di un inverter fotovoltaico è un parametro cruciale che indica la tensione massima che l’inverter può gestire dai pannelli solari senza danneggiarsi.
• Corrente massima in ingresso, Imax (A): Quantità massima di corrente che l’inverter può gestire senza subire danni o ridurre le prestazioni.
• Tensione massima MPPT, Vmppt,max (V): Tensione massima alla quale l’inverter può operare efficacemente per tracciare il punto di massima potenza (MPPT) dei pannelli solari.
• Tensione minima MPPT, Vmppt,min (V): Tensione massima alla quale l’inverter può operare efficacemente per tracciare il punto di massima potenza (MPPT) dei pannelli solari.

Dati lato corrente alternata (CA):

• Potenza nominale, Pnom (W): Quantità di potenza in uscita che l’inverter è in grado di fornire in condizioni nominali.
• Corrente nominale, Inom (A): Massima corrente in uscita che l’inverter può fornire in corrente alternata
• Corrente di corto circuito, Isc (A): Massima corrente che l’inverter è in grado di fornire in uscita in condizioni di corto circuito.
• Efficienza (%): Indica quanto dell’energia solare convertita in corrente continua (DC) dai pannelli solari viene effettivamente trasformata in corrente alternata (AC) utilizzabile per l’alimentazione degli apparecchi elettrici.

• Frequenza (Hz): Si riferisce alla frequenza della corrente alternata (AC) prodotta dall’inverter elettronico dopo aver convertito la corrente continua (DC) proveniente dai pannelli solari.

Queste specifiche aiutano a garantire che l’inverter scelto sia compatibile con le esigenze del sistema fotovoltaico e possa operare in modo efficiente e sicuro.

Accumulatori di energia

Un sistema di accumulo per un impianto fotovoltaico consiste in un insieme di accumulatori o batterie che immagazzinano l’energia prodotta dai pannelli solari e non immediatamente consumata. Questo sistema permette di stoccare l’energia in eccesso prodotta durante il giorno per utilizzarla di sera o di notte, riducendo la dipendenza dalla rete elettrica. Un impianto solare con accumulo permette quindi di utilizzare l’energia in un momento diverso rispetto a quando viene prodotta.

Ci sono due principali metodi di accumulo per immagazzinare l’energia fotovoltaica:

• Inverter con Accumulo Interno: Questo sistema integra in un’unica unità l’inverter fotovoltaico, che trasforma la corrente da continua ad alternata, e una batteria. La soluzione è compatta e poco ingombrante.
• Sistema Componibile con Batterie Esterne: il sistema di accumulo si trova all’esterno dell’inverter. Offre maggiore flessibilità poiché permette di scegliere tra diverse tecnologie e modalità di accumulo, adattandosi meglio alle esigenze del cliente.

Il Gestore dei Servizi Energetici (GSE) consente l’installazione di batterie per stoccare l’energia prodotta dagli impianti fotovoltaici, a patto che vengano adottate una delle seguenti tre configurazioni ammesse:

• Monodirezionale Lato Produzione: Le batterie vengono caricate esclusivamente dall’impianto fotovoltaico e sono posizionate tra i pannelli solari e l’inverter.
• Bidirezionale Lato Produzione: Anche in questa configurazione le batterie sono installate tra l’impianto fotovoltaico e l’inverter, ma possono essere ricaricate sia dall’impianto fotovoltaico che dalla rete elettrica.
• Bidirezionale Post-Produzione: Le batterie sono installate dopo l’inverter e possono essere caricate sia dall’impianto fotovoltaico che dalla rete elettrica.

In conclusione, l’integrazione di un sistema di accumulo in un impianto fotovoltaico rappresenta una strategia efficace per ottimizzare l’utilizzo dell’energia solare, migliorare l’efficienza energetica complessiva e ridurre i costi nel lungo termine.

Quadro in corrente alternata e generale

Tutti gli impianti fotovoltaici devono essere dotati, sul lato della corrente alternata (tra l’inverter e il contatore di produzione), di dispositivi di protezione e manovra. Questi dispositivi hanno il compito di proteggere la linea, gli apparati elettrici e le persone. Esistono diverse tipologie di quadri CA, sia monofase che trifase, in base alla configurazione e alle caratteristiche dell’impianto.

La funzione principale dei quadri CA è quella di interrompere il flusso di corrente alternata, sia in ingresso che in uscita, in caso di manutenzione.

Contatore di energia prodotta e scambiata

Un impianto fotovoltaico solitamente è dotato di due contatori: il contatore di produzione e il contatore di scambio. Sebbene questi contatori possano sembrare identici esteticamente, rilevano dati diversi e specifici, quindi è fondamentale leggere su ciascuno i dati necessari.

• Contatore di Produzione: Misura l’energia totale generata dall’impianto di produzione. Questo contatore è spesso in prossimità dell’inverter (che converte l’energia da corrente continua a corrente alternata).
• Contatore di Scambio: Misura l’energia elettrica immessa nella rete e quella prelevata dalla rete. È essenziale per determinare l’energia netta fornita o prelevata dalla rete elettrica. Questo contatore è tipicamente installato al confine della proprietà.

Dispositivi di protezione e cavi

Quando si progetta un impianto fotovoltaico, è essenziale prevedere dispositivi di sezionamento e di protezione per tutti gli apparati installati, anche se alcuni, come l’inverter, dispongono già di protezioni integrate.

Le protezioni elettriche hanno il compito di interrompere le sovracorrenti prima che le sovratemperature risultanti possano diventare pericolose sia per le persone che per gli apparati serviti dall’impianto. Una sovracorrente è una corrente superiore alla capacità del cavo e può verificarsi a causa di un sovraccarico in un circuito elettricamente integro o a seguito di un cortocircuito provocato da un guasto.

Le condutture elettriche di un impianto fotovoltaico devono essere in grado di resistere a tutte le condizioni ambientali, come alte temperature, pioggia e radiazioni solari. La sezione dei cavi viene definita in base alle normative CEI-UNEL/IEC e si distinguono i seguenti tipi di cavi:

• FG21 per installazioni esterne o FG16 per percorsi interrati in cavidotti.
• FS17 per installazioni all’interno di cavidotti negli edifici.

Per ogni cavo è necessario rispettare due verifiche, la prima riguarda la portata del cavo e la seconda la caduta di tensione %.

Una valutazione insufficiente di questi aspetti potrebbe compromettere l’efficienza dell’intero impianto. Per ottenere i risultati desiderati e dimensionare correttamente un sistema fotovoltaico, ti consiglio di provare gratuitamente la versione di prova di Blumatica Impianti Solari, che può assisterti durante tutte le fasi della progettazione.

Chiara Manzo

Responsabile Tecnico