Progettazione e Installazione di Sistemi Fotovoltaici
La società moderna dipende dall'energia per le esigenze quotidiane come l'industria, il riscaldamento, i trasporti e l'agricoltura, principalmente soddisfatte da fonti non rinnovabili (carbone, petrolio, gas). Tuttavia, queste causano danni ambientali, sono distribuite in modo diseguale e affrontano volatilità dei prezzi a causa delle riserve limitate, stimolando la domanda di energia rinnovabile.
L'energia solare, abbondante e in grado di soddisfare le esigenze globali, si distingue. I sistemi fotovoltaici isolati (Fig 1) offrono indipendenza energetica dalle utility. Di seguito è fornito un panorama della loro pianificazione, progettazione e installazione per la generazione di elettricità.
Pianificazione di un Sistema Fotovoltaico Isolato
Valutazione del sito e rilevamento:
Minimizzazione dell'ombreggiatura: Assicurarsi che il sito di installazione (tetto o terreno) sia libero da strutture ombreggianti e che nessuna costruzione futura blocchi la radiazione solare.
Superficie: Determinare l'area del sito per stimare il numero/dimensioni dei pannelli fotovoltaici e pianificare la disposizione degli inverter, convertitori e batterie.
Considerazioni sui tetti: Per i tetti inclinati, notare l'angolo di inclinazione e utilizzare montaggi appropriati per massimizzare l'incidenza solare (ideale perpendicolare ai pannelli).
Routage dei cavi: Pianificare i percorsi per i cavi (che collegano inverter, batteria, controllore di carica e array fotovoltaico) per minimizzare l'uso dei cavi e la caduta di tensione, bilanciando efficienza e costo.
Valutazione delle Risorse Energetiche Solari:
Dati di insolazione: Misurare o ottenere (da stazioni meteorologiche) l'energia solare ricevuta, utilizzando chilowattora per metro quadrato al giorno (kWh/m²/giorno) o ore di sole picco giornaliero (PSH, ore con irradianza media di 1000 W/m²).
Metrica chiave: Utilizzare PSH per calcoli semplificati (distinguere dalle "ore di sole medio", che riflettono la durata piuttosto che l'energia). Adottare la media mensile più bassa di insolazione per garantire l'affidabilità del sistema durante i periodi di sole basso.
Considerazioni per Sistemi Fotovoltaici Isolati
1. Calcolo della Domanda Energetica
Le dimensioni del sistema dipendono dalla domanda di carico, calcolata come:
Domanda energetica giornaliera (Wh) = Somma di (potenza nominale degli elettrodomestici in watt × ore di funzionamento giornaliero).
Utilizzare la domanda giornaliera più alta per bilanciare affidabilità e costo (assicura il funzionamento durante il consumo massimo, anche se ciò aumenta il costo del sistema).
2. Dimensionamento dell'Inverter e del Controllore di Carica
Inverter: Classificato 25% superiore al carico totale (per tenere conto delle perdite).
Esempio: Per un carico di 2400W, è necessario un inverter da 3000W (2400W × 1,25).
Controllore di carica: Corrente nominale = 125% della corrente di cortocircuito del pannello fotovoltaico (fattore di sicurezza).
Esempio: 4 pannelli con una corrente di cortocircuito di 10A richiedono un controllore da 50A (4×10A × 1,25).
Note: I controllori MPPT seguono le specifiche del produttore.
3. Energia Giornaliera all'Inverter
Tenere conto dell'efficienza dell'inverter (ad esempio, 90%):
4. Tensione del Sistema
Determinata dalla tensione della batteria (tipicamente 12V, 24V, ecc.), con tensioni più elevate che riducono la perdita dei cavi. Esempio: sistema a 24V.
5. Dimensionamento della Batteria
Parametri chiave: profondità di scarica (DOD), giorni di autonomia e tensione del sistema.
Capacità utilizzabile = Ah della batteria × DOD.
Capacità di carica richiesta = Energia dalla batteria / tensione del sistema.
Esempio: 3000Wh dalla batteria in un sistema a 24V → 125Ah richiesti.
Per batterie da 12V, 100Ah (70% DOD):
Numero di batterie = 125Ah / (100Ah × 0,7) ≈ 2 (arrotondato per eccesso).
Connettere 2 batterie in serie per ottenere una tensione del sistema a 24V.
Quindi, in totale ci saranno quattro batterie da 12 V, 100 Ah. Due connesse in serie e due in parallelo. Inoltre, la capacità richiesta delle batterie può essere trovata con la seguente formula.
Dimensionamento dell'Array Fotovoltaico
Capacità totale dell'array fotovoltaico (W): Calcolata utilizzando le ore di sole picco giornaliero più basse (o Fattore di Generazione del Pannello, PFG) e la domanda energetica giornaliera:
W_peak totale = (Domanda energetica giornaliera (Wh) / PFG) × 1,25 (fattore di scala per le perdite).
Numero di moduli: Dividere W_peak totale per la potenza nominale di un singolo pannello (ad esempio, 160W).
Esempio: Per una domanda giornaliera di 3000Wh e PFG = 3,2, W_peak totale = 3000 / 3,2 ≈ 931W. Con pannelli da 160W, sono necessari 6 moduli (931 / 160 ≈ 5,8, arrotondato per eccesso).
Fattori di perdita (per regolare il PFG): Includono l'angolo della luce solare (5%), punto di potenza massima non raggiunto (10%, escluso per MPPT), sporco (5%), invecchiamento (10%) e alta temperatura (>25°C, 15%).
Dimensionamento dei Cavi
Considerazioni chiave: Capacità di corrente, caduta di tensione minima (<2%), perdite resistive, resistenza alle intemperie (resistente all'acqua/UV).
Formula dell'area sezione trasversale:
A = (ρ × I_m × L / VD) × 2
(ρ = resistività, I_m = corrente massima, L = lunghezza del cavo, VD = caduta di tensione ammissibile).
Equilibrio: Evitare sottodimensionamenti (perdita di energia/incidenti) o sovradimensionamenti (inefficienza dei costi). Utilizzare interruttori differenziali e connettori appropriati.
