IMPIANTI FOTOVOLTAICI PER SERVIZIO ISOLATO - Sunsim.it

FONTI RINNOVABILI
I d FBANCESCO
GBOPPI
$w$.bihln igihl.l:u/rhnolabil;
lmpianti fotovoltaici
per servizio isolato
Yr* lr prime applicazioni del!,industria fotrovnltaica, gli impianti
per $ervizi0 isolato utilizzan0 c6rîponentistie a in huona parts dlversa
da quslla per gli impianti collesati in retÉ
li impianti fotovoltaici per servizro rsolato
rappresentano ia categoria di applicazioni
che ha dato il via all'industria fotovoltaica,
permettendo a quest'ultima di evol
versì e sviluppare i prodotti di alta tecnologia che
oggi conosciamo.
Negli ultimi decenni del secolo scorso e fin verso
la fine dello stesso, la realizzazione degli ìmpianlì
iotoroltliti non era lpg,ata. , ome in\eLe
awiene oggi, alla riduzione dell'impiego dei combustibilifossili
e al contrasto delle emissioni di
CO?. Molto piùr semplicemente, questi impianti
tett ivano rJ .oddi.iac imento di p< "en.e pno'
8erjr he, hp diliit il",onr" 4 'obb"a r?o;;
zìon i differenti.
",;ì"
I prodotti offerti dall'industria fotovoltaica erano
quindi destinati per intero alla realizzazìone di
impianti per servizio isolato, fossero essi destinati
alla navigazione marittima, ai ponti radio o al
l'arimentazione d lo, alità remott.
La suddìvisione seguente fornÌsce un quadro abbastanza
completo delle principali categorie
di applicazione del fotovoltaico per usi terrestri
e per utenze prive di connessione alla rete eletlr
ica;
I sistemi per l'alimentazione di apparecchiature
quaii lampioni FV, ponti radio, cabine te-
_ lefoniche, segnalazione marittima (figura j );
I impiant' di pompaggio per usi domestici o
agricoli;
I impianti solari per l'alimentazione di abitazioni
isolate (Solar Home Systems - SHS) in
corrente continua o in corrente alternata (fi-
Bura 2);
^ Figura 1: Esempio di boa di segnalazione fotovo i: :
(fata Phobwax)
È interessante notare che, a differenza di quan: :
viene pergli impianti collegati alla rete, gli imr: ..
per servizio isolato necessitano pressoché se^di
un sistema di accumulo. Ad eiempio, la iiE,
I impianti solari per l'alimentazione di gruppi
di utenze isolate (village powe1.
-.
segnalazione fotovo i:
mo\lrd lo \chemd di principio di un imp.rrl'alimentazìone
di un'abitazione, ma lo stess
andar bene pe. molte altre applicazioni.
Dalla figura 3 si può vedere che gli impiar: .
servizio isolato uÍilizzano una componen: :.
per buona parte diversa da quella che cost::, -
gli impianti per servizio in rete.
-
I
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L
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n particolare, risultano essefe pafticolarmente V Figura 2: Esempio di abitaz one solat. eqLrll)r!lgi.ìta
con ianpianto lolovoltaico
mportanti l'accumulo elettrochimico e il regoatore
di carica. Viceversa, l'inverter diventa ora
-rolto più semplice perché, essendo collegato ad
-r nà sorgente a tensione pressoché costante, può
--ssere costituito da un singolo stadio di conver-
-ione senza la funzione MPPT (eventualmente
:crrrndlla al reSoldlore di ' dri(d' c In p'ole,/io
ìi contro la perdita di rete.
I ACCUMULO ELETTROCHIMICO
r'ella maggior parte dei casi l'accumulo elettro-
--rimico può essere realizzato con delle batterie
: pìombo o al litio. NormaÌmente, nelle appli'
azioni di taglia più piccola, fino a qualche de-
-- na di watt, si utilizza la seconda, mentre negli
. tri casì la scelta cade sulle batterie al piombo.
-: batterie al piombo acido hanno beneficiato
':er
decenni di un continuo sviluppo tecnologi-
Pb + PbO, + 2 HrSO. e 2 PbSO, + 2 HrO
Leggendo la reazione da sinistra a destra si ot
r legato al l'industria automobi I istica, tuttavia tiene ia reazione di scarica, mentre da destra a
:rodclli per impiaghi stazionari, con particola-
--
riferimento al fotovoltaico, sono spesso diversi
sinistra si oltiene la carica.
Questa reazione è reversibile, ma fino a quando
: qr,relli per autotrazione, principalmente per il solfato di piombo che si deposita sugii elettrt)
r re motrvr:
di nel processo di scarica non raggiunge un li-
| \elle batterie per autotrazìone il fcnomeno vello tale da non poter essere più riconvertito in
del la stratificazione dell'elettrol ita, dovuto aì- acido solforico. Se ciò accade, ad esenrpio a cau
I acido solforico che pesa piùr dell'acqua, è po sa dÌ una scarica profonda, la batteria perde la
co rilevante perché il movimento e le vibra- p'op'. r , apa' il; di d, (.ln'u 61e cpe'g 3 e de',e
zioni a cui sono sottoposte ne provocano il essere sostlturta.
continuo rimescolamento.
Vi è poi un'altra trasformazione ch imica che si ve-
! \eìle applicazioni fotovollaiche la corrente di riÍica nella batteria, pfincipalmente quando la ca
.carica non assume quasi mai valori elevatì, rica raggiunge il valore massimo o all'approssi-
' diiterenza degli imp.eghi in dulotrd./ioîe, d marsi di questo. llfenomeno è detto gassificazio-
ratterizzati da forti spuntÌ.
ne dell'elettrolita ed è descritto da lla formula:
tr camente, nei piccoli impianti si utilizzano 2HrO=.>2H,+O,
':ierÌe diderivazione automobilistica più o me- La gassificazione dell'elettrolita si verifica, in mi
modificate, non molto efficienti ma più eco-
-
lÌche e facìli da reperire. Ci si orienta invece
sura molto inferiore, anche durantc la normale
carica. Pur non compromettendo di per se l'in-
--;o quelle specifiche per impieghi stazionari tegrità e la durata della batteria, deve comunque
. aumentare della potenza in gioco.
essere tenuto sotto conlrollo in quanto tende ad
: :rasformazione chimica che governa il com
'ìamento degli accumulatori al piombo aci-
autosostenefsi con la tempcratura e, negli accumulatori
a vaso aperto, provoca la veloce dimi
è quello dì carica scarica, descritta dalla for-
-
-la seguente:
nuzione dell'acqua presente negli elementr.
Cli accumulatori ermeticì, così come quelli con
r--"v
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I rNv€RrER
L,,/\ ] sÎa^D-atoNE
. Figura 3: Schema di principio di un lmp anto fotovoltaico per l'allmentazione dl un'abitazione soLatè
CARICHI

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elettrolita in geì, sono invece capaci di ricombi
nare l'idrogeno e l'ossigcno prodotti, ma solo entro
certi limìti, al di la dei quali si deteriorano sen
za possibilità di recupero.
In sintesi, Ie ba erie possono essere tra loro suddivise
a seconda di diíferenti caratteristiche, co
me riportato nella tabella 1 .
Cli elettrodi non sono quasi mai realizzati in
piombo puro. Al fine di migìiorare le prestazioni,
il più delle volte vengono aggiunte piccole
quantità di uno o più dei seguenti maleriali: an
timonio, calcio, stagno.
Sul mcrcato si trovano batterie commercializza
te con appcllativi ormai entrati nell'uso comune:
I batterie solai, di derivazione automobìlistica
hanno però in genere le piastre cli minore superficie
ma più spesse, caratteristica questa che
ne aumenta la vita utile;
I batterie low-maintenance, nelle quali alle piastre
è stata aggiunta una certa quantÌtà di calcio
per aumentarne la tensione di inizio gas
siticazionc e dim in u irc qu indi, in una certa misura,
le operazioni di manulcnzione.
Quando la capacità di accumulo clivcnta rile
vante, ci si ofienta generalmente su elementi singoli
dotati di piastre tubolari, che nelìe applìca
zionì statiche risultano più effÌcienti.
Cli accumulatori VRLA hanno il vantaggio, rispetto
a quelliVLA, di non richiedere operazioni
di manutenzione essendo in grado di ricombinare
I'idrogeno e l'ossÌgeno che si formano durante
la carica.
Tuttavia, tollerano molto nreno ilunghi periodi
di sovraccarica, i quali provocano Ì'intervento
della valvola di sicurezza con relative dispcrsioni
run p , . pristinab'li.
La capacità di una battcria è proporzionalc all'energia
che è in grado di immagazzinare, misurata
in amperora (Ah), poìché gli elementi hanno
tensione nominale di 2 volti r. pende però da diversi parametri, e cioè:
I il regÌme cli scarica, ossia in quanto tempo a\ -
viene la scarica a corrente cclstante, misur.l
ta rn ore;
I la lemperatura deglielementi in'C;
I la tensione di iine scarica in volt.
Ad esempio, un accumulo composto da elemenì
dì 2 volt nominali dclla capacità di 100 Ah m
sLrrati con una scarica di 10 ore alla temperatLra
di 20'C e una lensione di fine scarica dÌ 1,8volt'21
si ind ica come(:1,:
Cro (20'C, 1,85V/el) - 100 Ah
ll tempo di scarica influisce grandemcnte suii.
capacità. Infattì, maggiore è questo tempo, tar
to maggiore è l'cnergìa che si riesce ad estrarr..
dall'accumulo. I costruttori forniscorro norma
mente le capacità a Cro e Croo (altri valori presenti
di trequente nei cataloghi sono comunqLr:
C,, C' Cr,, e C,ru), ll C,n è più adatto per uso aL
t{rrnobilistico, mentre il_Cr.00 (o il C,,,u) è no.malmente
preso conle riferìmento per le appì -
cazioni fotovoltaiche, perché meglio si accorr:.
con itempi di autonomia degli impiantì nei pcriodi
ín cui la radiazione solare scarseggia.
Nel fare Ì raffronti tra idiversi valori di capaci::
che una batteria presenta al variare del regintcli
scarica occorre però iare attenzione alla te.
sione di fine scarica raggiunta nelle prove. Ne -
la pratica, le scarichc rapide tollerano maggio-,
menlp'f.n.ion di i.ne.r rri, I ba'-p, nenl-e
corrispondenza di tempi più lunghi di scaric:,
queste tensionÌ sono mantenute leggermente p
alte. Le precauzioni suJla tensione di fine sc:,
-ir
r deritrno drll in llo-:ibilirr,li \(d.ii Jrp I o -
pletanlente un accumulo al piombo e prenCno
origine dalle stime delJa carica residuar4, necessaria
come si è visto alla sopravvivcnza cì.
Componente.
La capacità dill
rapporto tra l'energia effettivamente estraib. .
dall'accumulo e quella che sarebbe possibile ' ,
TABELLA 1: Classificazione delle batterie
Tipologie Descrizione
pìastre piane Piastre piane tra loro affacciate a grigtia
Forma degli elettrodi piastre tubolari Piastre costituite da una serie di tubetti disposti vefticalmente
Elettrolita
InvoJucro
Numero di elementi
piaske Planté
libefo
ACM
(Absorbed
CIass Mat)
in gel
VLA (Vented Lead Acid)
Piastre spesse, realizzate anche ìn piombo puro
Tra le due p;35trq 1; f' un ,epdratore n mdte';alp poroso
Elettrolita non Iibero di fuoriuscire perché assorbito in
separatori microporosi in fibra di vetro
feleftrolita è immobilizzato in forma gelatinosa
i:intlrno d.ll dccumuldtore e in r omuricaz.one
con l'atmosfera esterna
VRLA (Valve Regulated Lead Acid) Accumulatori ermetici con valvola dì sicurezza
Singolo elemento da 2 V nominali
Monoblocco da 12 V e 24 V nominali, generalmente
ut'lizzati ;n accumuli di limitata capacità

cavare scaricandoìo aì 100% è indicato con DOD v Figùra 4: Esempio di vano batterie per impiantj totovoLlaicl
iDepth Of Discharge).
Valori tìpìci per il DOD sono compresi tra 50oó
e 80o,. (on la fascia piu alta ,.he rimane prerogativa
degli accumulatori a piastre tubolari di taglìa
maggiore.
Dopo il regime di scafica, la temperatura è il parametro
che ìnfìuisce di più sul comportamento
dell'accumulo al piombo-acido, per almeno 3
motrvr:
I La capacità decresce al diminuire della tem
peratura. Questa variazione non è Iineare, ma
approssimativamente consiste nella diminuzione
del 6% ogni 10 gradi in meno.
I All'aumentare della temperatura diminuisce la
tensione di inizio gassificazione, ossia durante
la carica inizia prima ilfenomeno della gassificazione
dell'elettrolita.
I se la batteria raggiunge la carica completa du-
I faumento della temperatura media nel lungo rante il giorno e il generatore fotovoltaico con
periodo riduce Ia vita degli accumulator'. tinua a fornìrle energia senza alcun control-
5olìtamente, una batteria è considerata esausta e lo, la batteria può danneggiarsi anche irrepa-
de\e essere sostiiuita quando Ia :ua carir a massirabilmente;na scende al di sotto dell'B0% dì quelìa inìziale I Se la batteria si scarica fino al valore consen-
CEI EN 60896-.1, CEI EN 60896-2 e CEI EN tito dal proprio DOD e i carichi contìnuano a
.1426).
richiedere energia, si verifica il processo di sol
Benché Ia durata di una batteria dìpenda da mol- fatazione irreversibile degli elettrodi.
:i iattorì, tra cui in prìmo luogo Ia sua tempera- Un buon regolatore di carica, non soltanto è in
:ura media, il numero di cicli compìeti di cari- grado di far fronte ai problemi ora elencati, ma
:a/scarìca è normalmente compreso tra 200 e 600 può servire a gestire al meglio l'accoppiamento
rrima dell'esaurimento. lvalori più aìti sono rag- tra i vari componenti, contribuendo ad allunga-
:iunti facendo uso dì accumulatori VRLA a pia- fe la vita dell'accumulo e, talvolta, svolgendo la
.tre tubolari. Un'altra caratteristica da conside- funzione di monitoraggio di tutto il sistema.
-are consiste nel rendimento di carica/scarica, Esternamente il regolatore di carica è un dispo-
lormalmente compreso tra il 70'k e il 95%, il sitivo che presenta 6 morsetti:2 di ingresso per il
ruale tìene conto del fatto che non tutta l'ener- generatore fotovoltaico, 2 per l'accumulo e 2 di
:ia fornita viene successivamente restituita. lì ren- uscila verso i t arit hi. Vi possono poi e

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nare nel punto di massìma potenza della curva
tensione corrente. A causa delle elevate correnti
in gioco e della complicazione circuìtale che
comporta, la funzione MPPT è presente solo in
pochi modelli.
IVD; Significa Low Voltage Disconnector e co
stituisce ormai una funzione di serie su tutti i regolatori
di carica. Questa funzione impedisce la
scarica eccessiva delìa batteria staccando il carico
quando la tensione ai capi di quest'ultima
scende:ìl di qollo
gìe, periodi di funzionamento) Alle segnalazioni
lumÌnose è invece lasciato il compito di indi
care Ia modalità di funzionamento ed eventuali
cond izìon i anomale.
I dati possono anche essere trasmessi su lìnea
seriale e letti da un computer remoto.
Dimensionamento degli impianti
per servizio isolato
Nel dimensionamento degli impianti per il ser-
di un (erlo vdlore minimo. vizio isolato si intende sceglìere le caratteristiche
A titolo dì esempio, per una batteria da 12 volt dei componenti prìncipali (moduli fotovoltaici,
nomìnali, il distacco può avvenìre a 1 1,4 volt. batteria, cavi, eventuale inverter) per assemblare
Regolazione a 3 stadi: fintroduzione della re- un sistema in grado di alimentare le utenze in
goiazione a 3 stadì è basata sulla constatazionemodo
soddisfacente.
che nelle batterie si verifica comunque una de- Per far questo occorre partire da alcuni dati di
posizione di ossido sugli elettrodi difficile da ri- proSero:
muovere attraverso i processi di carica/scarica1.
ìrraggiamento medio gìornaliero sui sito nei 12
usuali. Alla fine del processo di carica, un breve mesì dell'anno;
periodo di gassificazione, col rimescolamento2.
energìa giornaliera consumata nei periodi piùr
dell'elettrolìta che questo comporta, può essere sign ificativi;
utile a rìmuovere almeno una certa parte del 3. potenza massìma richiesta complessivamente
l'ossido residuo.
dagli utìlizzatori;
Una variante della regolazione a 3 stadi è co- 4. numero di giornidi autonomia anche in manstituita
dalla regolazione a 4 stadi, abbastanza canza di sole.
sìmile alla precedente, ma nella quaìe vi è an- Riguardo aì dati di irraggiamento, non è neces
che una fase di equalizzazione della carica de sario calcolare i valori per tuttì i 12 mesi, ma so-
gli elementi.
lo per i perìodì criticì (talvolta anche uno solo) in
Variazione della tensione di carica con Ia tem- cui si ritiene che il divario tra I'energia solare e
perafura. La tensione di inizio gassificazione del- quella consumata sia più sfavorevole.
l'elettrolita varia con la temperatura, per cui mol- llinclinazione dei moduli fotovoltaici deve es
ti regolatori di carica sono dotati di una sonda di sere scelta di conseguenza. Tipicamente, aile
temperatura da applicare all'accumulo che per- nostre latitudini, se l'impianto funziona tutto
mette di disinserire il generatore fotovoltaico ap- l'anno si adotta l'inclinazìone di 60', mentre se
pena prima che si inneschi il fenomeno. dovesse funzionare solo d'estate I'inclinazione
Scelta deltípo di batferia; La tensione di fine ca- dipende da quanto lungo si considera il perio
rica varìa col tipo di accumulatore utilizzato e do estivo.
quindì spesso i costruttori permettono di sele- Occorre poi conoscere o prevedere quali appazionare
questo parametro.
recchi saranno alìmentati e per quanto tempo. 5e
Ad esempio, alcuni regolatori di carica permet- si prevede che vi siano delle differenze nel cortono
di scegliere tra accumuliVLA, VRLA e in gel. ,'o dell anno il , alcolo vd ripeluto md come nF
Per ognuno dì questi è prevista una differente cur caso della radiazione solare, solo per i periodr
va di compensazione della temperatura in fun- più sfavorevoli.
zione dei diversi regìmi di carica.
Va poi valutata la potenza massima richiesta da
Tanto per fare un raffronto, un modello molto gli utilizzatori considerando un ragionevole fat-
diffuso di regolatore di carica fornisce, nel calore di (onlemporaneità dei rarichi.
so di carica normale, i seguenti valori di set- lntjne, occorre decidere l'autonomìa che deve
point a 20 "C:
avere l'impianto fotovoltaico in condizioni di tem,
I VLA: 2,40 V/el
po particolarmente sfavorevo]i. Normalmente s:
I VRLA: 2,36 V/el
considerano periodi che vanno da 3 a 5 giorni.
I In gel: 2,33 V/el
Una volta ìn possesso dei dati di progetto è pos-
Funzione fimerj I regolatori di carica destinati a sibile procedere col dimensionamento dell'im
gestire impianti di illuminazione ad energia so- pianto partendo dal generatore fotovoltaìco. faslare,
spesso incorporano un timer ìn grado di insunto su cui sì basa la maggior parte dei criteri d:
serire i carichi ad una determinata ora e staccar- progetto è che, su base media gìornaliera, l'eli
dopo un certo tempo.
nergia che l'impianto è ìn grado di fornire deve
Visualìzzazione locale dei parametri e linee di es\pre dlmeno uguale a quella che r onsumano
segnale; Alcuni regolatori di carica dispongono carich i, cioè:
di un dirplal e di seBnalazioni luminose in gra- E rr' E,
do di visualìzzare i principali parametrì dì siste llenergia media giornalìera che l'ìmpianto foto
ma (tensioni, correnti, potenze in transito, ener- voltaico è in grado di produrre è del resto propor

Figura 5i Esempio di schema elettrico sempliíicaLo di un inlpianto
per servizio isolak)
.ionale all'irraggiamento solare medio giornalie-Se
il costruttore dichiarasse la capacìtà a com
-r suÌ sito Ge alla potenza di pìcco del generato- pleto esaurimento dell'accu mu lo bisognerebbe
-e iotovoltaico Po a meno dì alcune perdite: moltiplicare il tutto per ìl Depth Of Discharge
:-,=c Pct K \scts fwhl
coefficiente K minore di 1, tiene conto degli
. .erlLdli nmbreBBiamenli,Ll gener,lJore tolo-
DOD.
Dalle due equazioni precedenti ne deriva che
la capacità dell'accumulo deve essere almeno
.oltaico, deì fenomeni di riÍlessione e assorbÌ-pari
a:
-rento
del vetro anteriorc, oltre che dello spor f.
:arnento dei moduli. Per siti non particolarmene
penalizzati, Kè maggiore di 0,9
coefficiente TBos tiene conto invece di tutte le
:..erdite che si verificano nel sistema, partendo dai
ìoduli fotovoltaici per arrivare ai carìchi.
::so è normalmente compreso tra 0,6 e 0,9 e di-
:encle da numerosi fattori, tra cui ì principaliso-
'o rappresentati dall'effetto della temperatura suÌ
^'od,li e drl p.ore.5o di t.:tri, a ,r arita del ar-
-unrulo.
-a presenza dell'inverter introduce un ulteriore
':lenalìzzazione, in quanto il valore di energia prorotta
deve essere moltiplicato per ìl rendimento
:jÌ conversione di tale apparato.
:atte queste premesse, ponendo F,-: Fry si ot-
: ene la potenza di picco del generatore fotovol-
:aìco e quindi il suo dimensionamento:
- E,
.-]=+ 'CK4nn,
?assando all'accumulo, è necessarìo che l'ener