Impianto solare fotovoltaico
Un impianto solare fotovoltaico è costituito da un insieme di componenti meccanici, elettrici ed elettronici che catturano l'energia solare, la trasformano in energia elettrica, sino a renderla disponibile all'utilizzazione da parte dell'utenza.
Gli impianti solari fotovoltaici sono sistemi in grado di assorbire e trasformare l'energia solare in energia elettrica. Fondamentalmente sono classificabili in:
- impianti solari fotovoltaici isolati (stand-alone), nei quali l'energia prodotta alimenta direttamente un carico elettrico e, per la parte in eccedenza, viene generalmente accumulata in apposite batterie di accumulatori, che la renderanno disponibile all'utenza nelle ore in cui manca l'insolazione;
- impianti solari fotovoltaici connessi ad una rete elettrica di distribuzione (grid-connected): l'energia viene convertita in corrente elettrica alternata per alimentare il carico-utente e/o immessa nella rete, con la quale lavora in regime di interscambio.
Un impianto solare fotovoltaico è costituito da un insieme di componenti meccanici, elettrici ed elettronici che catturano l'energia solare, la trasformano in energia elettrica, sino a renderla disponibile all'utilizzazione da parte dell'utenza.
Esso sarà quindi costituito dal generatore fotovoltaico (o da un campo fotovoltaico nel caso di impianti di una certa consistenza), da un sistema di controllo e condizionamento della potenza e, per gli impianti isolati, da un sistema di accumulo, solitamente batterie al piombo.
Il rendimento di conversione complessivo di un impianto fotovoltaico è il risultato di una serie di rendimenti, che a partire da quello della cella, passando per quello del modulo, del sistema di controllo della potenza e di quello di conversione, ed eventualmente di quello di accumulo, permette di ricavare la percentuale di energia incidente che è possibile trovare all'uscita dell'impianto, sotto forma di energia elettrica, resa al carico utilizzatore.
Il generatore fotovoltaico
Collegando in serie-parallelo un insieme opportuno di moduli si ottiene un generatore o un campo fotovoltaico, con le caratteristiche desiderate di corrente e tensione di lavoro.
I suoi parametri elettrici principali sono la potenza nominale, che è la potenza erogata dal generatore in condizioni nominali standard (irraggiamento di 1000 W/m2 e temperatura dei moduli di 25°C) e la tensione nominale, tensione alla quale viene erogata la potenza nominale.
I moduli o i pannelli sono montati su una struttura meccanica capace di sostenerli e ancorarli.
Generalmente tale struttura è orientata in modo da massimizzare l'irraggiamento solare.
Gli impianti solari fotovoltaici:
- sono modulari: si può facilmente dimensionare il sistema, in base alle particolari necessità, sfruttando il giusto numero di moduli;
- per il loro uso essi non richiedono combustibile, né riparazioni complicate: questa è la caratteristica che rende il fotovoltaico una fonte molto interessante, in particolare per i PVS,in quanto l'altra possibilità è rappresentata da generatori che richiedono sia combustibile, la cui fornitura è spesso irregolare e a costi molto onerosi, che interventi di manutenzione più impegnativi;
- non richiedono manutenzione: è sostanzialmente riconducibile a quella degli impianti elettrici consistente nella verifica annuale dell'isolamento e della continuità elettrica.
Inoltre i moduli sono praticamente inattaccabili dagli agenti atmosferici e si puliscono automaticamente con le piogge, come dimostrato da esperienze in campo e in laboratorio.
- funzionano in automatico: non richiedono alcun intervento per l'esercizio dell'impianto
- hanno positive implicazioni sociali: per esempio, l'illuminazione di una scuola in una zona rurale permette un'educazione serale e attività comunitarie; l'alimentazione di frigoriferi aiuta l'efficacia dei programmi di immunizzazione alle malattie endemiche;
- sono molto affidabili: l'esperienza sul campo ha dimostrato una maggiore affidabilità rispetto ai generatori diesel e a quelli eolici.
- hanno una elevata durata di vita: le prestazioni degradano di poco o niente dopo 20 anni di attività.
Norme tecniche e di garanzia della qualità stabilite, per i moduli, da alcuni paesi europei garantiscono tale durata di vita;
- consentono l'utilizzo di superfici marginali o altrimenti inutilizzabili
- sono economicamente interessanti per le utenze isolate (a fronte del costo di linee di trasmissione dell'energia elettrica, valutate in decine di milioni di lire al km). Schema impianto fotovoltaico generico (collegato in rete o isolato)
(figura 1).
E' determinato essenzialmente dall'uso finale dell'energia prodotta ed è generalmente costituito, oltre che dal generatore fotovoltaico e dal carico, dal dispositivo di inseguimento del punto di massima potenza o convertitore CC/CC, dal convertitore CC/CA o inverter, dal sistema di accumulo (batterie), e dal generatore ausiliario.
Il convertitore CC/CC consente di ottenere dal generatore fotovoltaico il massimo di energia utilizzabile, in funzione delle condizioni di funzionamento del moduli e delle caratteristiche degli apparecchi utilizzatori.
Tale dispositivo, opportunamente pilotato può assolvere anche alla funzione di controllo di carica delle batterie.
In un impianto solare fotovoltaico di piccola taglia il convertitore DC/DC viene sostituito, per motivi di costo, con regolatori di tensione (o regolatori di carica) tarati in modo da evitare l'eccessiva carica delle batterie.
L'inverter consente di alimentare un'utenza funzionante in corrente alternata oppure di trasferire in rete la potenza erogata.
Nel caso di una utenza isolata dalla rete di distribuzione dell'energia elettrica poichè il valore dell'energia prodotta non coincide temporalmente con la richiesta dell'utenza, una parte dell'energia prodotta dal sistema deve essere immagazzinata, per riuscire a soddisfare il carico in condizioni di irraggiamento insufficiente.
L'impianto solare fotovoltaico genera infatti energia nelle ore centrali della giornata, l'utenza invece la richiede anche nelle ore notturne.
Si impiega quindi, nel caso di utenze isolate, un sistema di immagazzinamento dell'energia elettrica costituito da un banco di batterie o accumulatori ricaricabili.
Una caratteristica non meno importante di un impianto solare fotovoltaico di medie dimensioni è quella rappresentata dalla possibilità di variare periodicamente l'inclinazione dei pannelli, al fine di permettere un assorbimento ottimale della radiazione solare.
In queste condizioni si ottiene un aumento della produttività dell'impianto pari a a circa il 30%.
Gli impianti solari fotovoltaici isolati sono costituiti da un generatore fotovoltaico, un DC/DC converter per l'inseguimento del punto di massima potenza, un sistema di accumulo, un inverter e un carico.
In condizioni normali l'energia prodotta dal generatore fotovoltaico fluisce nel carico e nella batteria.
Se il carico richiede una energia superiore a quella prodotta dal generatore fotovoltaico, la differenza viene fornita dalla batteria.
In situazioni di batteria scarica e domanda di energia eccedente quella prodotta, il campo fotovoltaico viene connesso alla batteria ed il carico viene connesso a una fonte integrativa che fornisce l'energia mancante (generatore ausiliario).
Se invece la batteria è completamente carica e l'offerta di energia eccede la domanda, il surplus di energia viene dissipato.
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