PARTE 2 IL SISTEMA FOTOVOLTAICO
La radiazione solare L'energia solare rappresenta il combustibile dell’ impianto fotovoltaico e non è sempre disponibile, soprattutto varia da un luogo all’altro . AI fine di valutare quanta energia può produrre un impianto, di una data potenza nominale, in un determinato luogo. Cioè per passare dai kilowatt ai kilowattora, occorre conoscere la disponibilità di combustibile solare in quel luogo. L’irraggiamento solare è l’unico valore che non possiamo modificare, quindi è molto importante valutarlo bene. Noi possiamo solo ottimizzare tale valore, ma non possiamo moltiplicarlo o comunque aumentarlo.
La radiazione solare Bisogna stimare Ie "ore equivalenti a piena potenza" per cui I'impianto può funzionare ogni anno, in base al combustibile disponibile; sono ovviamente ore "fittizie" perche si riferiscono al funzionamento alla potenza nominale. Ad esempio, per un impianto da 5 kW che produca mediamente ogni anno 5000 kWh, le "ore equivalenti a piena potenza" corrispondono a 1000 h. Va da se che la convenienza del fotovoltaico aumenta con il numero di ore equivalenti a piena potenza e prima di progettare un impianto fotovoltaico occorre valutare attentamente le risorse solari disponibili sul posto
La radiazione solare La radiazione solare è la radiazione elettromagnetica emessa dal sole. La potenza irradiata che incide su una superficie è l'irraggiamento solare. Tale potenza disponibile decresce man mano che ci allontana dal sole. L'irraggiamento solare all'esterno dell'atmosfera prende il nome di costante solare, per i piÚ curiosi aggiungo che tale valore vale 1,37 kWh/m2 Arrivata nell'atmosfera tale radiazione solare viene in parte riflessa in parte assorbita è in parte diffusa.
La radiazione solare Se noi consideriamo una superficie di riferimento questa sarà soggetta a tre “tipi” di radiazione solare: Diretta, Diffusa, Riflessa. La radiazione diretta incide sulla superficie con un angolo ben preciso. La radiazione diffusa incide sulla superficie con angoli diversi. La radiazione riflessa è la radiazione che viene riflessa da zone limitrofe alla superficie in oggetto.
Traiettorie solari
Diagrammi Solari
Orientamento ed inclinazione dei moduli Spesso, i moduli vengono inclinati per aumentare la radiazione diretta sui modulo, ad esempio negli impianti a terra, oppure è inclinata la superficie sulla quale sono montati (falda del tetto o superficie laterale di un edificio). In generale il posizionamento di un modulo fotovoltaico viene individuato tramite due angoli: Angolo di inclinazione β o angolo di Tilt Angolo di deviazione rispetto alla direzione sud γ o azimut
Angolo di inclinazione β o angolo di Tilt L'angolo di Tilt o di inclinazione è l'angolo che il pannello fotovoltaico forma con il piano orizzontale L’angolo di Tilt o di inclinazione influenza la radiazione incidente sulla superficie captante. Quindi, per ogni latitudine e per ogni angolo di Azimut c’è un Tilt ottimale, che permette di massimizzare l’irraggiamento.
Angolo di deviazione rispetto alla direzione sud γ o azimut L’angolo di orientazione del piano del dispositivo fotovoltaico rispetto al meridiano corrispondente. In pratica, esso misura lo scostamento del piano rispetto all’orientazione verso SUD (per i siti nell’emisfero terrestre settentrionale) o verso NORD (per i siti nell’emisfero meridionale). Valori positivi dell’angolo di azimut indicano un orientamento verso ovest e valori negativi indicano un orientamento verso est .
Orientamento ed inclinazione dei moduli La combinazione dell'inclinazione e dell'orientamento determina I'esposizione del modulo La radiazione diretta ricevuta da una superficie inclinata cambia con I'orientamento della superficie stessa rispetto ai punti cardinali (nord - sud - est - ovest) e con la sua inclinazione. La ricerca della migliore esposizione, per massimizzare la radiazione solare ricevuta dai moduli , è tra le prime preoccupazioni del progettista di un impianto fotovoltaico. Tale scelta è libera negli impianti a terra, mentre è limitata sui tetti o sulle pareti di un edificio.
Radiazione diretta Se indichiamo con I la radiazione solare diretta raccolta da un modulo orientato con angoli β, γ in un punto posto sulla superficie terrestre avente latitudine φ, in un particolare istante caratterizzato da elevazione del sole Y e azimut A e intensità della radiazione misurata al suolo sul piano orizzontale pari a IOR
Radiazione Solare sul = piano orizzontale Angolo di incidenza tra la traiettoria dei raggi del sole e la normale al piano orizzontale
Radiazione diretta
Superficie rivolta a Sud
Radiazione diffusa Condizioni atmosferiche
Seren Radiazione o solare
Nebbia
Nuvoloso
Nebbia Fitta
Molto nuvoloso
500 W/mq
100 W/mq
50 W/mq
Globale
1000 600 W/mq W/mq
Diretta
90,00 %
50,00%
30,00%
0
0
Diffusa
10,00 %
50,00%
70,00%
100,00%
100,00%
Radiazione riflessa I moduli fotovoltaici raccolgono la radiazione solare riflessa dal suolo o da ostacoli prospicienti i moduli stessi. Questa componente della radiazione solare è detta componente di Albedo e dipende sia dalle caratteristiche dell’ambiente visto dai moduli sia dall’inclinazione, rispetto all’orizzonte, che presentano gli stessi. Il fattore di Albedo viene in genere ricavato da osservazioni sperimentali e può variare in dipendenza del periodo dell’anno e del tipo di superficie prospiciente.
Fattore di Albedo
Radiazione totale
G=I+D+R Radiazione Globale = Diretta + Diffusa + Riflessa
L’energia che l’unità di superficie riceve dal sole, in un determinato intervallo di tempo, prende il nome di radiazione solare, in genere espressa in kWh/mq. Per stimare la produzione di energia elettrica si utilizza soprattutto la radiazione solare riferita ad un intero anno, come valore medio su più anni ( radiazione media annua). Ma sono disponibili anche banche dati. Non bisogna confondere l’irraggiamento, ovvero potenza ricevuta dall’unità di superficie kW/mq, con la radiazione solare, ovvero con l’energia ricevuta dalla stessa superficie in un determinato periodo di tempo (kWh/mq). La potenza elettrica (kW) prodotta da un impianto fotovoltaico dipende soprattutto dall’ irraggiamento solare, mentre I'energia elettrica (kWh) prodotta, in un certo periodo di tempo, dipende dalla radiazione solare disponibile in quel periodo.
radiazione solare I valori della radiazione solare media annua si possono desumere da: • Norma UNI 10349: riscaldamento e raffrescamento degli edifici La norma fornisce la radiazione solare giornaliera (media per ogni mese) diretta e diffusa, sui piano orizzontale, nei capoluoghi di provincia. • Atlante solare europeo Questo documento si basa sui dati registrati dal CNR-IFA ( lstituto di Fisica dell'Atmosfera) nel decennio 1966-1975. Riporta mappe isoradioattive del territorio Italiano ed europeo su superficie orizzontale o variamente inclinata. • Banca dati ENEA Dall'anno 1994, ENEA raccoglie i dati della radiazione globale orizzontale sul territorio italiano, tramite le immagini Meteosat. Le mappe finora ottenute sono riportale in due pubblicazioni: una relativa all'anno 1994 e un 'altra relativa al periodo 1995-1999, insieme alla radiazione solare di oltre 1600 comuni italiani .
Norma UNI 10349
Atlante solare europeo Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS)
Coefficienti da applicare alla radiazione solare su superficie orizzontale per ottenere la radiazione solare su superfici diversamente orientate e inclinate (Sud Italia: latitudine 380 N).
P.ti Card.
AZIMUT
TILT
Rendimento
SUD
0°
0°
88,38
SUD
0°
5°
91,62
SUD
0°
10°
94,34
SUD
0°
15°
96,54
SUD
0°
20°
98,16
SUD
0°
25°
99,34
SUD
0°
30°
99,92
SUD
0°
35°
99,89
SUD
0°
40°
99,28
SUD
0°
45°
98,12
SUD
0°
50°
96,31
SUD
0°
55°
94
SUD
0°
60°
91,12
SUD
0°
65°
87,85
SUD
0°
70°
84,05
E-O
90°
5°
88,22
E-O
90°
10°
87,77
E-O
90°
15°
87,07
E-O
90°
20°
86,1
E-O
90°
25°
84,92
E-O
90°
30°
83,49
E-O
90°
35°
81,95
E-O
90°
40°
80,16
E-O
90°
45°
78,18
E-O
90°
50°
76,03
E-O
90°
55°
73,68
E-O
90°
60°
71,3
E-O
90°
65°
68,67
E-O
90°
70°
65,97
E-O
90°
75°
63,13
NORD
180°
5°
84,59
NORD
180°
10°
80,47
NORD
180°
15°
75,91
NORD
180°
20°
71,01
NORD
180°
25°
65,94
NORD
180°
30°
61,04
Rendimento di un impianto fotovoltaico La produzione di energia elettrica fin qui indicata e al lordo delle perdite all'interno del campo fotovoltaico(lato c.c.) e nella parte c.a. (resto dell' impianto). Le perdite nel campo fotovoltaico sono dovute soprattutto a: aumento della temperatura delle celle; eventuali ombreggiamenti; riflessione della luce sulla superficie dei moduli ; accumulo di sporcizia sulla superficie dei moduli; non linearità tra irraggiamento e prestazioni dei moduli; dissimmetrie (mismatch); effetto Joule nei cavi e nelle apparecchiature elettriche.
eventuali ombreggiamenti L'ombra riduce la produzione di energia elettrica perchè, • riduce la radiazione solare sui modulo; • aumenta le perdite di mismatch
eventuali ombreggiamenti
eventuali ombreggiamenti Nei moduli cristallini si ha una sostanziale diminuzione, od anche abbattimento del rendimento, in caso di ombre particolari che coprono anche una piccola porzione del modulo, o nel caso di nuvole, o ancora durante le ore serale o della mattina presto
eventuali ombreggiamenti
Mismatch Riduzione della potenza in uscita di una stringa o di un generatore fotovoltaico imputabile ad una eccessiva differenza nelle prestazioni dei moduli fotovoltaici connessi in serie e facenti parte di una singola stringa. In un collegamento in serie, il modulo con caratteristiche inferiori diventa collo di bottiglia e determina la riduzione della potenza di tutta la stringa, portandola al livello della potenza del modulo fotovoltaico pi첫 debole.
Rendimento complessivo In un impianto ben progettato ed installato, l’entità delle perdite nel campo fotovoltaico, lato cc, varia dal 10 al 15% dell’energia elettrica prodotta. Almeno la metà di tali perdite è dovuta all’aumento di temperatura delle celle. A tali perdite vanno sommate quelle sul lato c.a., che variano dal 5 al 10%, e sono dovute: -all’inverter ed eventuale trasformatore - ai cavi ed agli altri componenti elettrici Complessivamente le perdite totali variano dal 15 al 25% della radiazione solare complessiva disponibile per il modulo.
Sopralluogo L' attività del progettista di un impianto fotovoltaico inizia con il sopralluogo per acquisire i dati di ingresso del progetto. In particolare bisogna valutare : - la superficie disponibile e la sua esposizione - eventuale presenza di ostacoli (ombre) - il fissaggio dei moduli fotovoltaici - il posizionamento del sistema di conversione - i percorsi dei cavi - l’alloggiamento dei gruppi di misura
Sopralluogo II sopralluogo è necessario anche per impianti di piccola taglia, dove sono impiegate soluzioni standard , poiché occorre verificare che sussistano le condizioni in base alle quali tali soluzioni sono state configurate. Individuare eventuali ombreggiamenti del campo fotovoltaico costituisce la parte più delicata del sopralluogo. L'ombreggiamento dei moduli ha un doppio effetto negativo: • riduce I' irraggiamento su una parte del campo fotovoltaico e quindi la sua producibilità; • provoca fenomeni di dissimmetria, nei moduli e tra le stringhe
Sopralluogo Vanno considerate Ie ombre di edifici, alberi, tralicci, ecc. ma anche di elementi apparentemente insignificanti, quali fili sospesi, antenne, comignoli,ecc.
Sopralluogo Bussola - Clinometro - Diagramma solare
Se i moduli sono montati su un piano orizzontale, inclinate su file parallele, occorre distanziare le file per minimizzare l’ombra che ogni fila genera sulla successiva. L'esigenza di evitare le ombre contrasta con quella di ridurre la superficie del campo fotovoltaico Quale compromesso tra queste opposte esigenze si adotta la di stanza D tra le file per cui non si ha ombra alle ore 12 (esposizione sud) del 21 dicembre (solstizio invernale)
Banca dati ENEA http://www.solaritaly.enea.it/CalcComune/ Calcola.php
Atlante solare europeo Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps 4/pvest.php