Un impianto fotovoltaico converte immediatamente l’energia solare in energia elettrica senza bisogno di combustibili. Questa tecnologia sfrutta l’effetto fotovoltaico, grazie al quale alcuni semiconduttori trattati opportunamente producono energia elettrica quando sono illuminati dalla luce del sole.
INDICE
La quantità di elettricità prodotta annualmente da un impianto fotovoltaico dipende da vari fattori, tra cui l’intensità della radiazione solare nel luogo di installazione, l’inclinazione e l’orientamento dei moduli, la presenza di ombreggiamenti, e le prestazioni tecniche dei componenti dell’impianto come i moduli e l’inverter.
In questa sezione della guida Blumatica, analizzeremo tutti gli aspetti necessari per selezionare l’inverter, componente essenziale per la conversione della corrente da continua ad alternata.
Leggi qui anche le altre parti della guida alla progettazione.
Cos’è un inverter fotovoltaico
L’inverter è una macchina statica che trasforma la corrente continua prodotta dai moduli fotovoltaici in corrente alternata, la quale viene immessa nella rete elettrica in caso di impianti connessi alla rete, oppure resa disponibile per l’uso in impianti ad isola.
Questa energia può provenire da un impianto fotovoltaico o da una batteria di accumulo, e deve mantenere una tensione di uscita costante, vicina al valore nominale della rete elettrica, e non essere influenzata dalle variazioni di carico. È importante che l’inverter abbia un basso autoconsumo interno e, idealmente, dovrebbe avere una modalità “stand by” per evitare di scaricare la batteria quando la fonte di energia non è disponibile.
Lo schema di funzionamento di un inverter monofase è mostrato nella figura seguente:
I transistor utilizzati come interruttori statici sono controllati da un segnale di apertura e chiusura che, nella sua forma più semplice, genererebbe andamenti di tensione e corrente come illustrato in figura:
Per ottenere un’onda il più possibile simile a una sinusoidale, si utilizza la tecnica avanzata della modulazione della larghezza degli impulsi (PWM, Pulse Width Modulation). Questa tecnica permette di regolare sia la frequenza che il valore efficace dell’onda in uscita.
Inseguitore del punto di massima potenza (MPPT)
La potenza generata da un sistema fotovoltaico dipende dal punto di funzionamento in cui opera. Per massimizzare l’energia prodotta dall’impianto, è necessario regolare il carico in modo che il punto di funzionamento coincida sempre con quello di massima potenza. A tal fine, si utilizza nell’inverter un dispositivo chiamato MPPT (Maximum Power Point Tracking), che identifica in ogni momento la coppia di valori tensione-corrente del generatore per cui la potenza erogata è massima.
Partendo dalla curva tensione-corrente del generatore fotovoltaico, il punto di massimo trasferimento di potenza corrisponde al punto di tangenza tra la caratteristica tensione-corrente per un dato livello di radiazione solare e l’iperbole definita dall’equazione V*I=cost.
I dispositivi MPPT in commercio trovano il punto di massima potenza sulla curva caratteristica del generatore, provocando a intervalli regolari piccole variazioni di carico che alterano leggermente i valori di tensione e corrente, valutando se il nuovo prodotto I-V è maggiore o minore rispetto al precedente.
Se si riscontra un aumento della potenza, le condizioni di carico vengono ulteriormente modificate nella stessa direzione. Al contrario, se non si verifica un aumento, si cambia il carico nella direzione opposta.
Elementi principali all’interno dell’inverter
L’inverter non include solo l’inverter stesso, ma anche altri convertitori statici e dispositivi necessari per garantire un’interfaccia completa tra il generatore fotovoltaico e il carico. La configurazione interna varia in base al tipo di funzionamento, che può essere ad isola o connesso alla rete.
Lo schema a blocchi di un inverter per il funzionamento ad isola è mostrato in figura.
Il convertitore DC/DC posizionato tra il generatore fotovoltaico e la batteria non solo adatta la tensione generata a quella della batteria, ma implementa anche la funzione di Maximum Power Point Tracking (MPPT). All’interno dell’inverter troviamo un convertitore DC/DC che eleva la tensione della batteria a un valore adeguato; questa tensione alimenta lo stadio dell’inverter vero e proprio, seguito da un filtro per eliminare le armoniche. L’uscita viene infine collegata al carico, che determina la corrente prelevata e quindi la potenza assorbita. In questo tipo di sistema, l’inverter agisce come un generatore di tensione.
Lo schema a blocchi di un inverter per un impianto connesso alla rete è mostrato in figura.
Il generatore fotovoltaico è collegato direttamente allo stadio dell’inverter, la cui uscita è connessa alla rete tramite un filtro per armoniche. Il condensatore posto in parallelo al generatore fotovoltaico ha il compito di assorbire il ripple di corrente prodotto dall’inverter, garantendo che la corrente erogata dai moduli sia praticamente continua. Senza questo accorgimento, il ripple di corrente dovrebbe essere gestito dai moduli, peggiorando le condizioni di funzionamento.
In questo tipo di impianti, lo stadio dell’inverter non deve imporre la tensione ma adattarsi a quella imposta dalla rete, comportandosi quindi come un generatore di corrente. Una configurazione più avanzata, mostrata in figura, include un convertitore DC/DC all’ingresso e un trasformatore in uscita per realizzare l’isolamento galvanico. Questo sistema risulta più complesso e costoso, ma offre diversi vantaggi, migliorando flessibilità e prestazioni.
Possibili configurazioni del campo solare
Il collegamento delle stringhe nel campo solare di un impianto fotovoltaico può essere effettuato principalmente attraverso tre modalità :
- Utilizzo di un singolo inverter per l’intero impianto (impianto con inverter unico o centralizzato)
- Utilizzo di un inverter per ogni stringa
- Utilizzo di un inverter per più stringhe (impianto multi-inverter)
Di conseguenza, durante la fase di progettazione è fondamentale valutare se sia preferibile optare per un sistema con un singolo inverter o più inverter, cercando di raggiungere il miglior equilibrio tra costo ed efficienza operativa.
Impianto mono-inverter o centralizzato
Questa configurazione è impiegata nei piccoli impianti e con moduli dello stesso tipo aventi la stessa esposizione.
I vantaggi economici derivano dalla presenza di un unico inverter, con una riduzione dell’investimento iniziale e dei costi di manutenzione.
Tuttavia, un guasto al singolo inverter comporta l’interruzione della produzione di tutto l’impianto. Inoltre, questa soluzione è meno adatta per impianti di grandi dimensioni (con maggiore potenza di picco) a causa dell’aumento dei problemi di protezione dalle sovracorrenti e delle difficoltà legate a diverse condizioni di ombreggiamento, cioè quando l’esposizione dei moduli non è uniforme su tutto l’impianto.
L’inverter regola il suo funzionamento attraverso il MPPT (Maximum Power Point Tracking), tenendo conto dei parametri medi delle stringhe collegate ad esso. Pertanto, se tutte le stringhe sono collegate a un unico inverter, l’ombreggiamento o un guasto di una parte di esse comporta una riduzione maggiore delle prestazioni elettriche dell’impianto rispetto ad altre configurazioni.
Impianto con un inverter per ogni stringa
In un impianto di medie dimensioni, ogni stringa può essere collegata al proprio inverter, operando così al proprio punto di massima potenza.
Con questa configurazione, il diodo di blocco per evitare l’inversione della sorgente è generalmente incorporato nell’inverter. La diagnostica della produzione viene effettuata direttamente dall’inverter, che può anche fornire protezione contro sovracorrenti e sovratensioni di origine atmosferica sul lato corrente continua.
Utilizzare un inverter per ogni stringa riduce i problemi di compatibilità tra moduli e inverter, oltre a mitigare la perdita di prestazioni causata da ombreggiamenti o esposizioni diverse. Inoltre, è possibile utilizzare moduli con caratteristiche differenti in stringhe diverse, migliorando così il rendimento e l’affidabilità complessiva dell’impianto.
Impianto multi-inverter
In impianti di grandi dimensioni, il campo fotovoltaico è generalmente suddiviso in più sezioni (sottocampi), ognuna delle quali è servita da un proprio inverter a cui sono collegate diverse stringhe in parallelo.
Rispetto alla configurazione precedente, questa soluzione utilizza un numero inferiore di inverter, riducendo così i costi di investimento e manutenzione. Mantiene inoltre il vantaggio di ridurre i problemi di ombreggiamento o diversa esposizione tra le stringhe e quelli derivanti dall’uso di moduli differenti, purché le stringhe di ciascun sottocampo, collegate allo stesso inverter, abbiano moduli uguali e siano esposte nelle stesse condizioni.
In caso di guasto di un inverter, non si perde la produzione dell’intero impianto, ma solo quella del sottocampo relativo. È importante che ogni stringa sia sezionabile singolarmente, per consentire verifiche e manutenzione senza dover disattivare l’intero generatore fotovoltaico.
Installando quadri di parallelo sul lato corrente continua, è necessario prevedere dispositivi di protezione contro sovracorrenti e correnti inverse per ciascuna stringa, al fine di evitare che stringhe ombreggiate o guaste vengano alimentate dalle altre stringhe in parallelo. La protezione contro sovracorrenti può essere garantita da un interruttore termomagnetico o un fusibile, mentre la protezione contro correnti inverse è assicurata da diodi di blocco. La diagnostica dell’impianto in questa configurazione è affidata a un sistema di supervisione che monitora la produzione delle diverse stringhe.
Come scegliere correttamente l’inverter
La scelta dell’inverter e delle sue dimensioni deve essere effettuata considerando la potenza nominale del sistema fotovoltaico da gestire. In linea generale, per individuare l’inverter più adatto, si consiglia di seguire queste linee guida:
- Nord Italia: la potenza massima in ingresso dovrebbe essere tra il 90% e il 95% della potenza nominale del generatore, poiché il sistema opera spesso a potenza ridotta.
- Centro e Sud Italia: dove l’irradiazione solare è più elevata, è possibile sovradimensionare l’inverter del 5-10%. Questo offre un margine maggiore per evitare la perdita di potenza eccedente rispetto alla capacità massima dell’inverter, quando la radiazione solare supera i livelli standard. Se la potenza in ingresso supera la capacità massima dell’inverter, quest’ultimo disperderà calore.
Per abbinare correttamente l’impianto fotovoltaico all’inverter appropriato, i dati di targa dovrebbero riportare:
Lato generatore fotovoltaico:
- Potenza nominale e potenza massima in corrente continua
- Corrente nominale e corrente massima in corrente continua
- Tensione nominale e massima tensione ammessa in corrente continua
- Campo di variazione della tensione di MPPT durante il funzionamento normale
Lato rete in corrente alternata:
- Potenza nominale in corrente alternata
- Potenza massima erogabile in modo continuativo dal gruppo di conversione
- Intervallo di temperatura ambientale alla quale tale potenza può essere erogata
- Corrente nominale in corrente alternata
- Corrente massima erogata corrente alternata
- Distorsione e fattore di potenza
- Efficienza di picco e condizioni di ingresso/uscita per ottenere la massima efficienza di conversione
- Efficienza a carico parziale e al 100% della potenza nominale del gruppo di conversione
È fondamentale considerare i valori nominali di tensione e frequenza in uscita, così come la tensione in ingresso all’inverter. Per gli impianti collegati alla rete pubblica, questi valori sono determinati dalla rete stessa con tolleranze specifiche.
Per quanto riguarda la tensione in ingresso, è necessario prendere in considerazione le condizioni operative estreme del generatore fotovoltaico per assicurare un funzionamento sicuro e efficiente dell’inverter. In particolare, è importante verificare che la tensione a vuoto delle stringhe alla temperatura minima prevista (-10°C) sia inferiore alla massima tensione che l’inverter può sopportare:
Voc,max(Tmin)=Voc(STC)+[Kvoc*(Tmin-25°C)] ≥ Voc,max,inverter
Ogni inverter ha un intervallo di tensioni in ingresso per il normale funzionamento. Poiché la tensione dei moduli fotovoltaici varia con la temperatura, è necessario assicurarsi che l’inverter operi entro l’intervallo di tensione dichiarato dal produttore nelle condizioni di esercizio previste (da -10°C a +70°C).
È necessario verificare contemporaneamente le seguenti condizioni:
Vmp,min(Tmax)=Vmp(STC)+[Kvmp*(Tmax-25°C)] ≥ Vmppt,min
Questo significa che la tensione minima a 70°C, calcolata alla massima potenza in uscita dalle stringhe con irraggiamento standard, deve essere superiore alla tensione minima di funzionamento del MPPT dell’inverter, per garantire il corretto funzionamento e l’erogazione di potenza alla rete.
Inoltre, è necessario assicurarsi che:
Vmp,max(Tmin)=Vmp(STC)+[Kvmp*(Tmin-25°C)] ≥ Vmppt,max
Ossia, la tensione massima a -10°C, calcolata alla massima potenza in uscita dalle stringhe con irraggiamento standard, deve essere inferiore o uguale alla massima tensione di funzionamento del MPPT dell’inverter.
Oltre a queste verifiche di tensione, è indispensabile controllare che la massima corrente del generatore fotovoltaico durante il funzionamento al MPP sia inferiore alla massima corrente in ingresso ammissibile dall’inverter:
Isc,max(Tmin)=Isc(STC)+[Kisc*(Tmax-25°C)] ≥ Isc,max,inverter
Infine, come ultima verifica, è necessario valutare il dimensionamento in potenza che deve essere compreso tra il 70% ed il 120%:
Come configurare l’inverter con Blumatica Impianti Solari
Blumatica Impianti Solari consente di progettare diverse tipologie di inverter per impianti solari. Dopo aver progettato i moduli sul campo, singolarmente o in strutture, il software guida l’utente attraverso un wizard di progettazione inverter.
Utilizzando le specifiche tecniche dei moduli progettati, il software esegue verifiche elettriche per garantire la compatibilità con l’inverter.
La simulazione stabilisce le configurazioni basandosi su parametri specifici, come la selezione tra inverter standard o con ottimizzatori, e tra inverter monofase o trifase. Questa scelta dipende principalmente dal tipo di allaccio dell’impianto e dall’orientamento dei moduli.
Nel caso di configurazione automatica, il software effettua la simulazione utilizzando impostazioni specifiche e quindi provvede in automatico a dimensionare il generatore, determinando anche l’accoppiamento in stringhe di moduli.
Invece, nel caso di configurazione personalizzata la configurazione viene definita manualmente. È necessario selezionare l’inverter ed in funzione degli ingressi specificati nella scheda tecnica del componente, bisogna determinare la configurazione appropriata.
Una volta definita la configurazione, sia automatica che personalizzata, il software esegue le verifiche elettriche basate sui moduli e sull’inverter selezionato. Affinché la configurazione sia confermata e si possa procedere con la progettazione, è indispensabile che tutte le verifiche siano superate con successo.
Tuttavia, grazie a tutte le informazioni fornite in questa guida, sarà molto semplice individuare l’inverter più adatto al tuo progetto e reperire tutti i dati necessari dalla scheda tecnica per progettare un impianto fotovoltaico.
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Responsabile Tecnico
Mariangela Cardiello
Raniero Mellone