Ottimizzatori: Guida alla progettazione di un Impianto Fotovoltaico pt. 6

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Ottimizzatori fotovoltaici possono migliorare la produzione energetica fino al 25%, massimizzando l'efficienza di ogni pannello. Scopri vantaggi e funzionamento.

Di solito, un impianto fotovoltaico è in grado di convertire solo il 10-12% dell’energia solare ricevuta in energia elettrica. Tuttavia, questo rendimento può diminuire a causa di vari fattori ambientali, meteorologici o legati alla costruzione dell’impianto stesso.

Per massimizzare la produzione di energia, sono disponibili diverse tecniche di progettazione, tra cui l’utilizzo degli ottimizzatori. Gli ottimizzatori fotovoltaici possono incrementare la produzione di energia elettrica dell’impianto fino al 25%, migliorando anche la sicurezza e accelerando il recupero dell’investimento economico.

In questa guida Blumatica, analizzeremo tutti gli aspetti relativi agli ottimizzatori fotovoltaici, compresi i contesti in cui è consigliabile utilizzarli, i loro vantaggi e svantaggi.

Connessioni, Blumatica Impianti Solari
Figura 1 – Connessioni, Blumatica Impianti Solari

Cos’è un ottimizzatore fotovoltaico?

Un ottimizzatore fotovoltaico è un dispositivo elettronico che può essere installato su ciascun pannello solare o su più pannelli, poiché esistono ottimizzatori con uno o più ingressi.

Questi dispositivi migliorano la produzione di energia di un sistema solare fotovoltaico seguendo il punto di massima potenza a livello di modulo, anziché a livello di stringa. Il monitoraggio del punto di massima potenza (MPPT) si riferisce al funzionamento secondo una specifica combinazione di corrente e tensione che massimizza la potenza erogata.

Una stringa solitamente è composta da un certo numero di pannelli collegati in serie, che sono collegati a un inverter. L’inverter trasforma la corrente continua generata dai pannelli in corrente alternata, utilizzata per alimentare gli apparecchi di casa o dell’ufficio.

L’inverter può essere dotato di un sistema MPPT, può regolare i parametri elettrici per ottenere sempre la massima potenza dai pannelli. In alcuni casi, l’inverter può avere più sistemi MPPT per gestire diverse stringhe indipendentemente, il che è utile se lo spazio sul tetto richiede l’installazione di pannelli in diverse posizioni, come a est e a ovest.

Figura 2 - Inverter con 2 MPPT
Figura 2 – Inverter con 2 MPPT

 

Quando si utilizzano gli ottimizzatori, la funzione MPPT viene svolta da questi dispositivi anziché dall’inverter. Ciò consente a ogni pannello, collegato al proprio ottimizzatore, di funzionare indipendentemente dagli altri. Di conseguenza, se un pannello riduce la sua resa o smette di generare energia per qualsiasi motivo, viene escluso, mentre gli altri pannelli continuano a operare al massimo della loro capacità.

Figura 3 - Inverter con ottimizzatori
Figura 3 – Inverter con ottimizzatori

Come funzionano gli ottimizzatori?

Questi dispositivi, piccoli e leggeri, vengono montati sul retro dei pannelli fotovoltaici e hanno il compito principale di massimizzare la produzione di energia di ciascun modulo. Utilizzano un convertitore DC/DC di tipo buck-boost, controllato da un sistema MPPT (Maximum Power Point Tracking).

Regolando il punto di massima potenza di ogni modulo, gli ottimizzatori garantiscono che ogni pannello lavori al suo massimo potenziale, anche in condizioni di ombreggiamento, sporcizia o usura.

I convertitori buck-boost sono una categoria di convertitori DC/DC che possono produrre una tensione di uscita superiore (boost) o inferiore (buck) rispetto alla tensione di ingresso.

A livello circuitale sono simili ai convertitori boost, i buck-boost possono aumentare o ridurre la tensione di ingresso continua regolando il duty cycle dello switch. Questo permette di modificare liberamente il punto di lavoro lungo l’asse delle tensioni.

Figura 4 - Circuito di un convertitore buck-boost
Figura 4 – Circuito di un convertitore buck-boost

Durante l’intervallo Ton, lo switcher (S) è acceso, l’induttanza (L) si carica con la tensione di ingresso e il carico (R) è alimentato dal condensatore (C). Durante l’intervallo Toff, lo switcher (S) è spento e la corrente sostenuta dall’induttanza (L) circola attraverso il diodo (D), alimentando il carico (R) e il condensatore (C).

In presenza di un induttore non ideale, è necessario introdurre una resistenza parassita (RL) in serie all’induttore, che interviene nel circuito sia durante la fase Ton che nella fase Toff.

Se si considera irrilevante il ripple di tensione e corrente in uscita dal convertitore, il carico può essere rappresentato come una resistenza:

Il guadagno del convertitore buck-boost, sia nel caso ideale che con induttanza non ideale, dipende dal duty cycle e può essere, in valore assoluto, sia inferiore (buck converter) che superiore (boost converter) a 1.

Gli ottimizzatori non effettuano la conversione DC/AC; erogano potenza in corrente continua, quindi un impianto grid connected con ottimizzatori richiede comunque un inverter per la conversione in corrente alternata e la connessione alla rete di distribuzione. Gli ottimizzatori non sostituiscono l’inverter, ma lo integrano, permettendo di modificare l’impianto senza alterare la configurazione esistente. Tuttavia, questo comporta un costo aggiuntivo perché è un componente extra.

La curva di potenza in funzione della tensione (curva P-V) infatti è fortemente non lineare e può presentare vari punti di massimo locale e un massimo assoluto.

Curva P-V con confronto tra punti di massimo globali e locali
Figura 5 – Curva P-V con confronto tra punti di massimo globali e locali

Questi punti cambiano rapidamente posizione nel tempo e dipendono da diversi fattori, come l’arrangiamento serie-parallelo dei moduli, i diversi gradi di irraggiamento sulle singole celle, e la presenza di ostacoli nel caso di utilizzo residenziale.

I punti di massimo dipendono inoltre dalla sporcizia, dai punti caldi, dalle nuvole, e dall’incidenza della radiazione dovuta all’angolo di tilt β all’azimut γ.

Vantaggi e svantaggi degli ottimizzatori

Vantaggi

L’uso degli ottimizzatori offre diversi vantaggi significativi, come la facilità di modifica dell’impianto senza alterarne la configurazione originale.

Mantengono la tensione in ingresso all’inverter costante. Nei sistemi tradizionali, la tensione varia con la temperatura dei moduli, costringendo l’inverter a gestire un ampio range di tensioni. Gli ottimizzatori mantengono stabile la tensione, migliorando la conversione CC/CA e riducendo il ripple in uscita, diminuendo lo stress sull’inverter.

Hanno un ampio range di funzionamento del dispositivo MPPT, operando su tensioni che variano dai 5V ai 60V. Questo permette la ricerca del punto di massima potenza anche quando i diodi di bypass riducono drasticamente la tensione.

Offrono una flessibilità di connessione, permettendo di collegare due o più pannelli in serie o in parallelo con un singolo ottimizzatore. Questo riduce i costi, mantenendo i vantaggi del disaccoppiamento e ottimizzando coppie di moduli.

Gli ottimizzatori spesso necessitano di una centralina che raccoglie dati dettagliati sulle prestazioni di ogni singolo modulo solare. Questo sistema avanzato di monitoraggio permette di individuare prontamente problemi o guasti, semplificando notevolmente le attività di manutenzione e ottimizzazione dell’impianto.

La maggior parte degli ottimizzatori in corrente continua ha una durata garantita di 25 anni, allineandosi alla garanzia minima dei pannelli fotovoltaici. Tuttavia, l’inverter, sebbene meno sollecitato dalle variazioni di tensione, ha una vita utile massima di 15 anni.

Il sistema garantisce un’elevata produttività poiché la ricerca del massimo viene effettuata a livello di modulo, evitando problemi di collo di bottiglia e differenze tra moduli della stessa stringa.

Svantaggi

Gli svantaggi di questo metodo innovativo di ottimizzazione riguardano principalmente i costi, essendo una configurazione più costosa di un impianto standard.

È necessario considerare anche la sostituzione dell’inverter alla fine della sua vita utile. Anche se gli ottimizzatori sono garantiti per 25 anni, la presenza dell’inverter di stringa limita la durata complessiva dell’impianto a un massimo di 15 anni.

In condizioni di ombreggiamento, quando ci sono due massimi locali nella curva di potenza, il sistema potrebbe non individuare rapidamente il massimo assoluto.

Infine, gli ottimizzatori hanno un’efficienza del 97-98%, ma questo valore deve essere moltiplicato per l’efficienza dell’inverter di stringa, riducendo l’efficienza complessiva.

Differenza tra ottimizzatori e microinverter

Gli ottimizzatori di potenza e i microinverter migliorano le prestazioni dei pannelli solari, specialmente su tetti complessi o parzialmente ombreggiati. Pur condividendo alcune caratteristiche, le due tecnologie presentano differenze significative:

Il passaggio dalla corrente continua (CC) alla corrente alternata (CA)

I microinverter convertono l’energia da corrente continua (CC) a corrente alternata (CA) direttamente presso i pannelli solari.

Gli ottimizzatori di potenza, invece, si installano anch’essi dietro i pannelli ma non effettuano la conversione; condizionano l’energia in corrente continua, mantenendo stabile la tensione prima di inviarla a un inverter che completa la conversione in corrente alternata in modo più efficiente.

Garanzia

Sia gli ottimizzatori di potenza che i microinverter offrono una garanzia di 25 anni. Tuttavia, l’inverter associato agli ottimizzatori potrebbe avere una garanzia minore, spesso prolungabile dagli installatori gratuitamente o a pagamento.

È importante esaminare attentamente i termini di garanzia per capire cosa coprono: spedizione, manodopera sostitutiva, e tempi per le richieste di garanzia sono fattori cruciali.

Manutenzione

Considerare la frequenza e l’impatto di eventuali guasti è fondamentale. La sostituzione di microinverter o ottimizzatori di potenza posizionati sul tetto è generalmente più costosa rispetto a un inverter di stringa installato a livello del suolo. Tuttavia, i costi di manutenzione a lungo termine vanno oltre questo.

Compatibilità con batterie

Entrambi i sistemi possono funzionare con accumuli di batteria, ma il tipo di inverter richiesto può variare a seconda che si tratti di una soluzione con batteria collegata in corrente continua o in corrente alternata. È essenziale discutere con l’installatore o l’elettricista per determinare l’inverter più adatto alla batteria scelta.

In sintesi, la scelta tra ottimizzatori e microinverter dipende dalle specifiche esigenze del sistema solare e dalle considerazioni su garanzia, manutenzione e integrazione con batterie.

Come inserire gli ottimizzatori in Blumatica Impianti Solari

In Blumatica Impianti Solari è possibile progettare l’inverter con gli ottimizzatori. A seguito della definizione dei moduli sul campo o sui campi, il software guida l’utente nel collegare l’inverter con gli ottimizzatori.

In particolare, a seconda dell’inverter scelto e dell’ottimizzatore collegato, il software verifica la compatibilità elettrica con i moduli e l’inverter ottimizzato.

Wizard progettazione inverter con ottimizzatori, Blumatica Impianti Solari
Figura 6 – Wizard progettazione inverter con ottimizzatori, Blumatica Impianti Solari

Procedendo con una configurazione automatizzata, il software esegue una simulazione utilizzando inverter con ottimizzatori selezionati, sia monofase che trifase.

La simulazione prende in considerazione le impostazioni specificate per dimensionare automaticamente l’inverter o gli inverter necessari, determinando i moduli e gli inverter ottimizzati che verranno abbinati in serie o in parallelo.

Configurazione inverter con ottimizzatori, Blumatica Impianti Solari
Figura 7 – Configurazione inverter con ottimizzatori, Blumatica Impianti Solari

Ovviamente il progettista ha sempre la possibilità di modificare la configurazione proposta in automatico dal software o creare una configurazione personalizzata. Anche in questi casi, il progettista risulta guidato passo passo: infatti, il software esegue tutte le verifiche elettriche in base agli ingressi e alle stringhe aggiunte, evidenziando eventuali incongruenze.

Configurazione personalizzata inverter con ottimizzatori, Blumatica Impianti Solari
Figura 8 – Configurazione personalizzata inverter con ottimizzatori, Blumatica Impianti Solari

Gli ottimizzatori per il fotovoltaico sono fondamentali per massimizzare il ritorno economico e garantire una produzione continua di energia solare, anche in presenza di sfide o cambiamenti ambientali.

Blumatica Impianti Solari ti supporta nella progettazione dell’impianto, offrendo la possibilità di effettuare analisi dettagliate attraverso varie simulazioni, per valutare la convenienza dell’installazione di questi componenti.

Percorso solare, Blumatica Impianti Solari
Figura 9 – Percorso solare, Blumatica Impianti Solari

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Chiara Manzo

Responsabile Tecnico


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