LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà...

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011

Laboratorio di CostruzioniModulo di Impianti

Facoltà di Architettura

FONTI DELL’ENERGIA ELETTRICAA seconda delle origini le fonti energetiche possono essere:• Fonti non rinnovabili: sono esauribili, a disposizione in quantità limitata. In questa categoria rientrano il carbone, il petrolio, il gas naturale, etc.• Fonti rinnovabili: sono a disposizione in quantità illimitata. In questa categoria rientrano il sole, l’acqua, il vento, il calore della Terra, le maree, le biomasse, etc.

F O T O V O L T A I C OEnergia elettrica dalla radiazione solareLa tecnologia fotovoltaica permette di trasformare direttamente in energia elettrica la luce associata alla radiazione solare. Essa sfrutta le proprietà dei materiali semiconduttori, come il silicio, che opportunamente trattati, sono in grado di generare elettricità una volta colpiti dalla radiazione solare (quindi senza alcun uso di combustibili).


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Radiazione Solare Energia elettromagnetica emessa dai processi di fusione dell’idrogeno con l’elio contenuti nel sole.

Nel nucleo si produce, per effetto della reazione di fusione, una temperatura stimata tra 16 e 40 milioni di gradi; attraverso una serie di processi radiativi e convettivi avviene il trasferimento del calore alla superficie dove avviene l’irraggiamento verso lo spazio.

La temperatura della superficie si porta allora ad un valore di circa 5780 K, tale da fare sorgere un equilibrio tra l’energia che la superficie stessa riceve dal nucleo e quella che emette verso gli spazi siderali.


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Fuori l’atmosfera terrestre la potenza incidente su di una superficie unitaria, perpendicolare ai raggi solari, assume un valore di circa 1.360W/m², questo valore prende il nome di Costante Solare

ca il 40% della radiazione viene assorbita o riflessa dalle nubi ed il 15% viene assorbita dall'atmosfera stessa. Arriva al suolo, quindi, circa il 45% della radiazione.Densità di Potenza radiazione solare per unità di tempo e di superficie.Sulla superficie terrestre, a livello del mare, in condizioni meteorologiche ottimali e sole a mezzogiorno, la densità di potenza è di circa 1000W/m²


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La radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre si distingue in:(1) diretta(2) diffusa(3) riflessa


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Un parametro importante della radiazione solare è rappresentato dall'intensità misurata con due grandezze fisiche:- l'insolazione, ovvero l'energia media giornaliera (kWh/m2giorno)- l'irraggiamento, cioè la potenza istantanea su superficie orizzontale (kW/m2).

La produzione di energia a partire da quella solare è funzione del carattere periodico della fonte.Infatti la rotazione terrestre determina i cicli stagionali e giornalieri che caratterizzano la presenza di radiazione solare e la relativa intensità (posizione della Terra rispetto al Sole - stagione ed ora del giorno).


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Per progettare i sistemi che sfruttano la radiazione solare per la generazione di energia termica che elettrica, occorre quantificare la potenzialità di captazione della radiazione solare.I parametri da individuare e valutare per la progettazione dei sistemi ad energia solare sono:- Caratteristiche tecniche dei sistemi- Parametri ambientali.

Parametri ambientali:-i parametri astronomici e geografici: le stagioni e le ore sono caratterizzanti della diversa inclinazione dell’asse terrestre, mentre la latitudine e la longitudine sono caratterizzanti della rotazione.Questi fattori combinandosi determinano la diversa inclinazione di incidenza dei raggi solari sulla superficie terrestre che in estate è prossima alla direzione verticalementre in inverno è prossima alla direzione dell'orizzonte;- i parametri atmosferici: descrivono le condizioni meteorologiche che caratterizzano l'area interessata dall'istallazione e sono necessari per quantificare la radiazione diretta che investe le superfici captanti e le temperature.


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Condizioni ottimali di inclinazione e orientamento della superficie captante


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Condizioni ottimali di inclinazione e orientamento della superficie captanteln linea generale, le applicazioni di piccole e medie dimensioni, che caratterizzano il settore dell'edilizia, utilizzano superfici captanti con struttura fissa.

Pertanto, ai fini della progettazione, i parametri da considerare per determinare le migliori condizioni di captazione della radiazione solare in relazione al sito e all'edificio su cui insiste l'impianto, sono:- l’angolo di tilt, ossia l'inclinazione della superficie captante (angolo indicato con b); - l'azimuth, ossia l’orientamento della superficie captante ponendo lo 0 nel sud geografico dell’emisfero settentrionale (angolo indicato con g);- l’albedo, ossia la capacità di riflessione di una superficie in funzione del materiale e del colore (coefficiente di riflessione)


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Angolo azimutale g: è l’angolo orizzontale tra il piano verticale passante per il sole e la direzione del sud, ed è positivo verso est e negativo verso ovest.

Altezza solare a:è l’angolo verticale che la direzione collimata al sole forma con il piano orizzontale;


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Nelle applicazioni più comuni i sistemi solari vengono utilizzati durante tutto l'arco dell‘anno e, in questo caso, approssimativamente, si può prevedere che l'inclinazione ottimale è la latitudine del luogo meno 10°.

L'orientamento ottimale nell'emisfero Boreale è verso sud, quindi con angolo di azimuth g pari a 0° e per le latitudini che interessano il territorio italiano, l'inclinazione ottimale è di 30

29° (Sud Italia) ai 32° (Nord Italia).


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Nel caso in cui invece si prevede l'utilizzo degli impianti solari solo durante una stagione (come le residenze estive o le attività turistiche ricettive stagionali), ad esempio in inverno, la direzione dei raggi solari è più inclinata e la radiazione solare è meno intensa (superficie captante maggiore).

Al contrario in estate, in cui la radiazione solare è più intensa è la direzione dei raggi è più vicina alla verticale, con traiettoria più alta.

Diagramma dei percorsi solari per la determinazione delle condizioni di soleggiamento

Questo diagramma è così costituito:

il cerchio esterno rappresenta l’orizzonte; i cerchi interni rappresentano i vari valori dell’altezza solare α, che sono egualmente spaziate l’una dall’altra; le linee radiali indicano l’azimut γ, diagrammate a passi di 10°; le linee intersecanti i percorsi solari per le varie date indicate, rappresentano l’ora locale vera.

Tecnica del Controllo Ambientale

Diagramma dei percorsi solari

Si orienta il diagramma polare dei percorsi solari relativo alla latitudine del luogo in esame, secondo la direzione Nord della pianta dell’edificio;

Tecnica del Controllo AmbientaleDeterminazione delle ore di soleggiamento

Determinazione delle ore di soleggiamento

dal centro del diagramma si traccia una retta parallela alla proiezione sul piano orizzontale del piano di prospetto dell’edificio, e la retta normale ad essa uscente in direzione Sud;

Tecnica del Controllo Ambientale

RadiaRadiazione solare su una parete in località Roma


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QUINDI:L’energia solare non raggiunge la superficie terrestre in maniera costante, ma con intensità variabile durante il giorno, da stagione a stagione, in funzione della nuvolosità, dall’angolo d’incidenza e del coefficiente di albedo delle superfici.La radiazione che un metro quadrato di una superficie orizzontale riceve è detta radiazione globale ed include la radiazione diretta e quella diffusa.

La radiazione diretta e quella che giunge direttamente dal sole, mentre la radiazione diffusa è quella riflessa dal cielo, dalle nuvole e da superfici riflettenti. La radiazione diretta si ha quindi solo quando il sole è visibile.

L’Italia ha un’insolazione ottimale per l’utilizzo di tutte le tecnologie di sfruttamento della radiazione solare. In condizioni di cielo sereno in Italia la radiazione globale può raggiungere un’intensità di 900-1.200 W/m2. La radiazione diffusa oscilla invece tra 0 e 250-300 W/m2. La radiazione diffusa rappresenta in Italia circa il 25% della radiazione globale. Quando il cielo è densamente coperto o all’imbrunire, l’intensità della radiazione non supera i 50-100 W/m2.


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Per calcolare quanto produce un sistema fotovoltaico occorre conoscere l’irraggiamento globale rappresentato nella cartina di sinistra.


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Le modalità di misurazione della radiazione solare possono essere diverse:- piranometri, che misurano l'intensità della radiazione solare netta;- mappe isoradiative, che mostrano la distribuzione dell'insolazione media per anno o per medie mensili nelle regioni;-norme UNI 8477 parte 1, che a partire dai dati sull'orizzontale desunti dalla norma UNI 10349, permettono di determinare la radiazione incidente;- Atlante Europeo della Radiazione solare (commissionato dall'Unione Europea), dove si possono consultare le tabelle con l’irraggiamento medio giornaliero in funzione della località e dell'inclinazione della superficie captante;- “La radiazione solare globale al suolo in ltalia", pubblicazione a cura dell'ENEA.'


25 FEBBRAIO 2011Si definisce impianto o sistema fotovoltaico un insieme di componenti elettrici ed elettronici atti a captare e trasformare l'energia solare disponibile in energia elettrica. Esso è composto essenzialmente da:• moduli o pannelli fotovoltaici, che costituiscono il generatore, detto array fotovoltaico (diverse configurazioni );• inverter, che trasforma la corrente continua generata dai moduli in corrente alternata ;• Batterie, quadri elettrici e cavi di collegamento.

La trasformazione o conversione di energia da solare in elettrica avviene attraverso il fenomeno denominato effetto fotovoltaico, ovvero l'interazione della radiazione luminosa con gli elettroni all'interno di materiali semiconduttori.



Sistemi fotovoltaici

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Impianti fotovoltaici

La tecnologia fotovoltaica permette di trasformare direttamente in energia elettrica la luce associata alla radiazione solare. Essa sfrutta le proprietà dei materiali semiconduttori, come il silicio, che opportunamente trattati, sono in grado di generare elettricità una volta colpiti dalla radiazione solare (quindi senza alcun uso di combustibili).


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Impianti fotovoltaici


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A differenza del solare termico, la tecnologia fotovoltaica sfrutta in modo non trascurabile l'irraggiamento diffuso, che permette di ottenere buone prestazioni anche con cielo nuvoloso.

ln linea generale il progetto e il dimensionamento del generatore fotovoltaico devono considerare:- latitudine ed irraggiamento medio annuo del sito;- carico elettrico;- specifiche elettriche del carico utilizzatore;- potenza di picco;- collegamento alla rete elettrica o a batterie;- caratteristiche architettoniche dell'edificio (se i pannelli sono previsti su di un edificio).Gli impianti fotovoltaici possono essere:- connessi alla rete elettrica di distribuzione (grid-connected) o- direttamente a utenze isolate (stand-alone), per assicurare la disponibilità di energia elettrica in zone isolate.




25 FEBBRAIO 2011I moduli fotovoltaici

La problematica che maggiormente influisce sullo sviluppo del fotovoltaico risiede nel processo di produzione dei moduli che risulta ancora troppo costoso. Il materiale primario che monopolizza l'attuale mercato del fotovoltaico è il silicio in diverse forme e tecnologie che ne determinano i rendimenti e le applicazioni.

ll silicio è, dopo l'ossigeno, il materiale maggiormente presente sulla Terra. Esso non esiste in forma pura ma non esiste in forma pura, solo sotto forma di Ossido di Silicio (SiO2) o di composti contenenti il silicio Si, come la sabbia, il quarzo e l’argilla (in sabbia marina o in materiale estratto in miniere - migliore fonte di approvvigionamento per la tecnologia fotovoltaica).Il silicio viene prima estratto dalle miniere e poi viene reso puro attraverso diversi processi chimici. Esistono, tuttavia, vari gradi di purezza: per l’industria fotovoltaica il grado di purezza stabilito deve essere 99,9% (Silicio di grado solare). Il silicio estratto ha bisogno di essere purificato e questo è il processo più costoso nella filiera della produzione del fotovoltaico.




25 FEBBRAIO 2011I moduli fotovoltaiciSi distingue l’utilizzo del silicio cristallino e l'utilizzo del silicio amorfo, materiali che presentano sostanziali differenze tanto nel processo di produzione quanto nell'applicazione e montaggio dei moduli. lnfatti, mentre per la tecnologia del silicio cristallino si parla di produzione di vere e proprie celle, in quella del silicio amorfo si parla di film sottile depositato su materiali rigidi.ln entrambi i casi le caratteristiche elettriche principali da considerare per un modulo fotovoltaico sono:- potenza di picco (Wp), che rappresenta la potenza erogata dal modulo in condizioni standard (irraggiamento = 1000 W/m2; temperatura = 25° C);- corrente nominale (A), ossia la corrente erogata dal modulo nel punto di lavoro;-tensione nominale (V), ossia la tensione di lavoro del modulo.

Le diverse tipologie di moduli presenti sul mercato possono quindi classificarsi in baseal materiale che li costituisce, avendo questo un'influenza notevole sui costi e suirendimenti dei sistemi stessi:- Ie celle e i moduli in silicio cristallino- i moduli a film sottile in silicio amorfo




25 FEBBRAIO 2011Celle e moduli in silicio cristallino Sono rigide, di forma quadrata con dimensioni variabili da 100 a 150 mm e spessore da 0,20 a 0,35 mm.Esse costituiscono potenzialmente dei piccoli generatori, mala loro potenza è troppo ridotta (intorno a 1,5 Watt in condizioni standard) ed inoltre sono molto fragili ed elettricamente non isolate, pertanto devono essere assemblate in moduli.Il collegamento delle celle avviene in serie ottenendo moduli che contano generalmente 36, 64, o 72 celle.

Le celle in silicio cristallino possono essere di tipo mono o policristallino.-celle in silicio monocristallino-celle in silicio policristallino




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Il silicio viene fuso e colato in una cilindro di cristallo, o lingotto,di diametro di 20 cm, e alto circa un metro e pesa circa75 Kg. Una volta freddo, il lingotto di silicio viene tagliato in dischi molto sottili (wafer), dello spessore di 20-25 mm con struttura omogenea, che costituiscono la base per le celle. I wafer presentano un color argento lucido.

La produzione di questo tipo di celle è molto costosa, anche perché ci sono molti scarti non riutilizzabili (25-30%). 10.000 tonnellate di silicio di grado solare equivalgono a circa 1.000 MW di celle solari

Il silicio deve essere drogato perché il silicio puro è un pessimo conduttore di corrente in quanto non presenta elettroni di conduzione in grado di trasportare energia. Drogando il silicio con ottimi conduttori di corrente e rendendolo impuro si forniscono gli elettroni di conduzione necessari per la trasmissione dell’energia.

Produzione di celle fotovoltaiche


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Le due facce del wafer vengono drogate con atomi di fosforo e boro in modo da ottenere la giunzione di due strati con proprietà elettriche opposte: strato positivo P e strato negativo N.La cella fotovoltaica è allora sostanzialmente un diodo, cioè una giunzione tra due semiconduttori P ed N.

I fotoni presenti nella radiazione luminosa separano gli “elettroni” dagli atomi di silicio, formando le “lacune”. Gli elettroni sono carichi negativamente e le lacune sono cariche positivamente; le coppie elettrone – lacuna, create per effetto fotoelettrico, migrano nel campo elettrico della giunzione e generano in un circuito esterno la corrente elettrica.

Drogaggio


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Per la produzione della cella viene fatta solidificareuna massa fusa di silicio policristallino creando un cilindro, successivamente tagliato a dischetti. Durante la fase di solidificazione, i cristalli si dispongonoin modo casuale ed è per questo che la superficie presentacaratteristici riflessi cangianti. Il silicio policristallino ha una grana più grossa del silicio monocristallino.

A differenza delle celle in monocristallino queste hanno una struttura disomogenea, dovuta alle irregolarità del materiale, checaratterizza l'aspetto delle celle con un disegno ben distinguibile. La minor purezza della materia prima favorisce un abbattimento dei costi ma allo stesso tempo implica un minor rendimento dei moduli in policristallino.

Celle fotovoltaiche in silicio policristallino


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Dalla cella al modulo in silicio cristallinoll modulo in mono o poli-silicio cristallino è un pacchetto costituito dalle celle (mono o policristalline) e da tutti sistemi di collegamento, protezione e irrigidimento necessari al suo utilizzo. Ogni cella è dotata di contatti elettrici che ne consentono il collegamento con le altre. Quindi il modulo fotovoltaico è il componente elementare di un generatore fotovoltaico, formato da più celle collegate tra loro in modo da ottenere valori di tensione e corrente adatti ai comuni impieghi. Nel modulo le celle sono protette dagli agenti atmosferici da un vetro e sul lato posteriore da materiali isolanti e plastici.

La superficie anteriore viene protetta con una lastra di vetro temperato con elevate caratteristiche ottiche che oltre a proteggere il modulo dagli agenti atmosferici trattiene la radiazione solare e riduce la riflessione. La superficie posteriore viene protetta con uno strato plastificato per rendere il modulo impermeabile all’ossigeno ed all’acqua e rigido.


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Moduli in silicio cristallinoA questo punto il pacchetto, denominato anche "sandwich“, viene sottoposto ad un processo di laminazione sottovuoto esponendolo ad alte temperature, che favoriscono la completa sigillatura dei componenti, escludendo le infiltrazioni d'aria. Una scatola di connessione, saldata e sigillata nella parte posteriore del modulo, permette il collegamento elettrico con altri moduli.ll processo di produzione del modulo è completato con l'inserimento della cornice in alluminio estruso anodizzato.

I moduli in silicio cristallino hanno una potenza che varia da 50 Wp a 150 Wp a seconda del tipo di celle utilizzate e della loro efficienza.


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Moduli in silicio cristallinoUn problema legato a questo tipo di tecnologia è la diminuzione del rendimento, che può anche azzerarsi in situazioni di ombreggiamento

- moduli in silicio monocristallino: alto rendimento, circa il 14-18% dovuto alla purezza del materiale che ne determina anche il maggior costo e, a parità di potenza erogata, richiedono l'occupazione di minor superficie;

- moduli in silicio policristallino: il rendimento globale di questo tipo di pannelli è del 12-14% poiché, rispetto al monocristallino, si registra un decadimento dovuto alla minor purezza del materiale. I processi di produzione meno elaborati comportano una diminuzione dei costi ma, essendo la resa minore, a parità di potenza istallata è necessaria una superficie captante leggermente superiore al monocristallino.


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CARATTERISTCHE DEL MODULO FOTOVOLTAICOPer valutare un modulo fotovoltaico occorre conoscere le sue caratteristiche e le sue prestazioni elettriche.


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POTENZA DI PICCOMassima potenza elettrica che la cella fotovoltaica genera in condizioni ottimali [Wp].Essa viene definita in base a delle condizioni standard, le quali corrispondono ad irraggiamento di 1.000 W/m2 e ad una temperatura della cella di 25°C.


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POTENZA DI PICCOIn tali condizioni, una cella di 100 cm2 (10 cm x 10 cm) e con un’efficienza pari al 15% genera una potenza di 1,5 W. La potenza è direttamente proporzionale alle dimensioni della cella.

Per calcolare quanti moduli occorrono per un impianto si divide il numero dei Watt richiesti per il valore di picco del modulo scelto (Es: 1.000 Wp : 175Wp =5,71 moduli).

Il valore di picco è molto importante: infatti, rappresenta un impegno del costruttore che certifica i suoi dati. I moduli dovrebbero quindi essere accompagnati da CERTIFICAZIONI, nello specifico:IEC 61215 per i moduli di Silicio Cristallino o IEC 61646 per i moduli a Film Sottile e la Safety Class II.Incidenza della tolleranza sulla potenza di picco (WP):+/- 5% significa che un modulo da 175 Wp potrebbe avere una potenza di picco da 166,25 a 183,75 Wp;+/- 10% significa che un modulo da 175 Wp potrebbe avere una potenza di picco da 157,50 a 192,5 Wp.


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Moduli in silicio amorfoAMORFO (a-Si)Il silicio amorfo e caratterizzato dal modo disordinato in cui gli atomi o le molecole sono legati tra di loro. Utilizzando il silicio amorfo non si può parlare di celle, in quanto si tratta di strati sottili di silicio amorfo applicati su superfici più grandi delle normali celle.

FILM SOTTILEPer la produzione di questi moduli, il materiale base viene vaporizzato e lavorato allo stato gassoso, depositato su una superficie di supporto, detta substrato, fatta da lastre di vetro o lamine di altro materiale. La strato di silicio ha uno spessore di circa 2μ ovvero oltre 100 volte più sottile dello strato ottenuto con celle di silicio cristallino. Questo film sottile può essere applicato su diversi tipi di materiale, sia trasparente che opaco (in genere viene utilizzato il vetro temperato) dello spessore di circa 20-30 mm e pesi ridotti.


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Moduli a film sottile in silicio amorfoDifetti della tecnologia dei moduli a film sottile in silicio amorfo1. Basso rendimento (6 - 10%)2. Nel dimensionamento dell'impianto è indispensabile tener conto di un decadimento di circa il 20% cui è soggetto il modulo nei primi due mesi di messa a regime. Questa perdita iniziale, dichiarata dalle case produttrici, rimane poi stabile per circa 20 anni.

Vantaggi della tecnologia dei moduli a film sottile in silicio amorfo:1. Considerevole riduzione dei costi 2. Elevata versatilità del prodotto finale che risolve, a volte, le problematiche dell'integrazione

architettonica degli impianti fotovoltaici3. Minori riduzioni di efficienza in presenza di ombreggiamenti e minore influenza dalla

temperatura rispetto alle celle in silicio.

Il minor rendimento dei moduli implica un aumento considerevole delle superfici captanti necessarie, soprattutto se confrontato con la tecnologia del silicio monocristallino ma, se non si hanno problemi di spazio, l'istallazione risulta comunque economicamente vantaggiosa, dato che il costo per ogni watt di elettricità prodotto è del 25-40% inferiore rispetto al monocristallino.


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EFFICIENZA DI CONVERSIONEL’efficienza di conversione è il rapporto percentuale tra l’energia solare raccolta dalla superficie di un modulo fotovoltaico e la potenza di picco Wp prodotta.

Efficienza del modulo = Potenza di picco (Wp) x 100/Area del modulo m2

L’efficienza di un modulo determina la superficie necessaria per produrre i KWp richiesti (ad esempio, da 7 a 8,2 m2 per avere 1 KWp se si utilizzano moduli in silicio monocristallino)

E’ inoltre opportuno sottolineare che:se il sole è allo Zenit irradia 1.000 Watt per m2 nelle condizioni standard;se un modulo di 1m2 avesse una potenza di picco di 1.000 Wp avrebbe così un’efficienza del 100%.


25 FEBBRAIO 2011IL GENERATORE FOTOVOLTAICOIl generatore elettrico e costituito da alcuni moduli per fornire la potenza elettrica richiesta dall’utilizzatore. La stringa è l’insieme dei moduli collegati elettricamente in serie per ottenere la tensione richiesta.Quindi, collegando in serie i moduli si forma la Stringa.




25 FEBBRAIO 2011IL GENERATORE FOTOVOLTAICO

Collegando in parallelo più stringhe dimoduli si forma, invece, il Generatore Fotovoltaico.




25 FEBBRAIO 2011Le stringhe vengono collegate in parallelo ad un gruppo di conversione “inverter” che trasforma la corrente continua prodotta dai moduli in corrente alternata. Il quadro di parallelo, il sistema di conversione ed il quadro di consegna devono essere dotatidi tutte le protezioni ai vari livelli richieste dalle norme di sicurezza.

L’inverter, posto tra i moduli e la rete, trasforma la corrente generata dai moduli fotovoltaici da continua in alternata alla frequenza ed alla tensione difunzionamento della nostra rete elettrica.



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25 FEBBRAIO 2011Classificazione fondamentale dei sistemi fotovoltaici-Sistemi stand alone: sistemi autonomi, completamente indipendenti dalla rete, utili in caso di utenze isolate. La configurazione del sistema prevede che i moduli fotovoltaici vengano dimensionati in modo tale da garantire l'utilizzo diretto da parte dell'utente e che vengano caricate delle batterie di accumulo, le quali costituiscono la riserva di energia elettrica per i periodi in cui i moduli non producono.Un impiantofotovoltaico isolato è composto da:- i moduli fotovoltaici;- il regolatore di carica;- l'inverter;- il sistema di accumulo (batterie di accumulo).ln caso di guasto, l'impianto non avrebbe nessuna possibilità di alimentazione alternativa ma è possibile prevedere nel progetto l’integrazione del sistema con un generatore alternativo ai moduli fotovoltaici, come ad esempio un gruppo elettrogeno.




25 FEBBRAIO 2011Sistemi stand aloneRegolatore di caricaÈ un dispositivo utilizzato per la carica controllata di batterie a liquido elettrolita o a gel e svolge la funzione di controllo e protezione contro il sovraccarico e l'eccessivascarica degli accumulatori. ll regolatore agisce disconnettendoautomaticamente il sistema di accumulo dal circuito in base alle tensioni di soglia (massima e minima) impostate.

L’energia elettrica prodotta viene direttamente consumata dall’utente e la parte in eccedenza viene accumulata in apposite batterie, che la renderanno disponibile nelle ore in cui manca l’insolazione.Le principali applicazioni per utenze isolate sono: case isolate, rifugi, baite, siti archeologici,pompaggio dell’acqua nell’agricoltura,alimentazione di ripetitori radio, di stazioni di rilevamento,di apparecchi nel settore delle comunicazioni, ecc.




25 FEBBRAIO 2011InverterNegli impianti fotovoltaici del tipo stand alone l'inverter trasforma la corrente continua in alternata a 220 V permettendo l'utilizzo diretto da parte dell'utente, ma non risulta indispensabile se è possibile effettuare l'alimentazione direttamente in corrente continua a bassa tensione. ln questo caso, la potenza dell'inverter viene dimensionata in base alla potenza massima di carico a cui verrà collegato l'impianto.




25 FEBBRAIO 2011Sistemi grid connectedInterscambio con la rete elettrica. L'energia prodotta dai moduli fotovoltaici dell’utenza viene inviata alla rete elettrica nazionale senza alcun limite. Nei periodi in cui i moduli non sono in grado i produrre la quantità richiesta di energia il carico viene alimentato dalla rete, garantendo la continuità del servizio di erogazione.

Componenti principali di un impianto fotovoltaico connesso in rete:- i moduli fotovoltaici;- l'inverter;- il dispositivo di interfaccia con la rete elettrica;- ll contatore di energia bidirezionale.




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Dispositivo di interfaccia con la rete elettricaÈ necessario per l'immissione nella rete dell'energia prodotta, in quanto garantisce che la forma d'onda dell'energia elettrica immessa in rete abbia tutte le caratteristiche richieste.

Contatore di energia bidirezionale (solo per impianti grid connected)È un contatore che effettua la misurazione degli scambi di energia con la rete, sia quelli relativi all'immissione dell'energia prodotta, che quelli relativi al prelievo di energia dalla rete nei periodi di scarsa produzione fotovoltaica.Il bilancio tra i due flussi può implicare una spesa o un guadagno per l’utente.


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Si suddividono in due grandi categorie:• Impianti collegati alla rete elettrica di distribuzione in bassa tensione.• Impianti collegati alla rete elettrica di distribuzione in media tensione


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Vantaggi di un impianto fotovoltaicoInstallare un impianto fotovoltaico contribuisce a ridurre lo sfruttamento delle risorse naturali (gas, petrolio, carbone) e riduce le emissioni dei gas responsabili dell’effetto serra

Riassumendo la tecnologia fotovoltaica :• è affidabile, poco suscettibile a guasti e richiede pochissima manutenzione;• produce energia elettrica direttamente dove serve;• è modulare e facilmente espandibile;• ha degrado di circa il 20% entro 25 anni;• consente di sfruttare superfici non utilizzabili per altri scopi;• consente la produzione di energia elettrica dove non esiste una rete elettrica nazionale;• non necessita di combustibili fossili, ma solo di radiazione solare;• non produce rumore e non consuma risorse, non immette gas inquinanti e non disperde calore;• riduce il consumo di energia convenzionale per il fabbisogno energetico;


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Spazio necessario per generare 1 KWpLa seguente tabella può essere utile per calcolare la superficie necessaria a realizzare un impianto della potenza di 1KWp sulla base del materiale utilizzato per produrre le celle.MATERIALE UTILIZZATO m2 PER PRODURRE 1KWPMonocristallino da 7 a 9 m2

Policristallino da 8 a 11 m2

Thin Film Tandem Cell da 11 a 13 m2

Si può dire che comunemente:1KWp = circa 10m2 di Moduli Fotovoltaici


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Numero di moduli necessari per generare 1 KWpEsempio:Modulo da 185Wppoichè 1 KW è 1.000 Watt, basta dividere per il numero di Wp:1.000W : 185Wp = 5,4 Moduli

Per sapere esattamente quanto spazio occupano basta invece leggere nelle caratteristiche tecniche le dimensioni del modulo normalmente espresse in mm, calcolare la superficie del modulo e quindi moltiplicare per il numero dei moduli.


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Quanta energia produce un impiantoL’Italia ha una radiazione solare compresa tra i 1.350 ai 1.950 KWh/m2 all’anno e corrisponde al contenuto energetico di un barile di petrolio all’anno per ogni metro quadrato di terreno.Il barile di petrolio corrisponde esattamente a 159 litri. Il contenuto energetico della radiazione solare annuale varia da zona a zona. Quanto produce mediamente un impianto fotovoltaico di 1 KWp annualmente in Italia?Considerando esposizione a Sud, inclinazione a 30° e assenza di ombreggiamenti, la produzione varia in base alle diverse zone d’Italia. Nello specifico:Nord Italia = da 1.100KWh a 1.200KWhCentro Italia = da 1.200KWh a 1.300KWhSud Italia = da 1.300KWh a 1.500KWh

Questi dati si basano su statistiche di lungo periodo. Gli impianti generalmente producono circa i 3/4 della resa annuale nel semestre estivo ed 1/4 nel semestre invernale. Le rese degli impianti possono aumentare o diminuire annualmente di circa il 10%.


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25 FEBBRAIO 2011I Principali elementi che influenzano le prestazioni dei moduli fotovoltaici sono quattro:1) IRRAGGIAMENTO;2) TEMPERATURA;3) INCLINAZIONE;4) ZONE D’OMBRA.

IRRAGGIAMENTOL’irraggiamento è la radiazione solare istantanea Incidente sulla superficie di un oggetto. Si misura in kW/m2. I moduli producono energiaelettrica non solo quando sono irradiati da luce diretta ma anche quando ricevono luce diffusa o riflessa. L’irraggiamento influisce sulla corrente, la tensionenon subisce variazioni significative. Esistono tabelle che permettono di stimare quanti KWh/m2 vengono irraggiatiper località (ENEA, CNR, etc.)




25 FEBBRAIO 2011TEMPERATURALe variazioni di temperatura influiscono sia sulla corrente(Ampere) che sulla tensione (Volt). Con l’aumentare della temperatura oltre i 25° C diminuiscela tensione ed aumenta la corrente. La potenza di picco è data dal prodotto di questi due elementi. Normalmente

Per i moduli in silicio cristallino l’aumento della temperaturacomporta un calo della potenza di circa lo 0,5% perogni grado di temperatura superiore al valore di riferimento(25° C.)




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INCLINAZIONEL’ottimale delle prestazioni si otterrebbe con il modulo perpendicolare ai raggi soalri. In Italia l’impianto lo si espone a Sud con un angolo che può variare da 30° a 40° in funzione della località (latitudine).




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ZONE D’OMBRAOccorre evitare di collocare i moduli vicino ad oggetti, piante e costruzioni che possano creare zone di ombra, permanenti o momentanee sui moduli. Il fenomeno degli ombreggiamenti e dinamico perché dipende dall’orientamento del sole, perciò tale movimento può essere previsto e calcolato.Per quanto riguarda, invece, gli ombreggiamenti occasionali come polvere, foglie, neve o escrementi di uccelli, l ’effetto sarà tanto minore quanto più efficiente sarà il sistema di auto-pulizia. Normalmente lo sporco viene rimosso dall’acqua piovana in funzione dell’ angolo di inclinazione.

Verifica delle zone di ombreggiamento con i Diagrammi dei percorsi solari per data latitudine.


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Inclinazione e orientamento della superficie captanteLa soluzione per captare la radiazione solare nelle migliori condizioni, ovvero sempre perpendicolarmente rispetto alla sorgente, è quella di disporre di superfici che, al variare della posizione del sole, seguano il suo percorso (Solar tracking systems).

L'inseguimento solare può essere ad asse singolo (cioè la rotazione avviene solo sull'asse orizzontale, oppure su quello verticale) o a doppio asse, cioè la rotazione avviene contemporaneamente sia in verticale che in orizzontale, posizionando pertanto i pannelli in modo sempre frontale rispetto al Sole (cambia orientamento e inclinazione).

Questo tipo di tecnologia mobile attualmente ha costi di produzione e di gestione molto elevati e quindi trova applicazione solo in impianti di grossa taglia, dove la notevole produzione energetica giustifica la spesa.


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Inseguimento solare. Rotazione attorno a due assi: orizzontale e verticale

In un inseguitore il movimento può avvenire sul solo asse verticale (inseguitori di azimuth) oppure su quello orizzontale (inseguitori di tilt).A seconda dei movimenti previsti si parla quindi di inseguitore biassiale o monoassiale.

Inseguitore solare ad 1 asse di rotazione

Inseguitore solare a 2 assi di rotazione


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Condizioni ottimali di inclinazione e orientamento della superficie captante(Rotazione attorno ad un asse: orizzontale)


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Il RendimentoIl fatto di variare l’inclinazione e/o l’orientamento dei pannelli conduce ad una maggiore producibilità di energia elettrica. Orientativamente, un inseguitore monoassiale comporta una maggiore produzione del 10-20% rispetto ad un impianto fisso, a seconda del tipo di montaggio e di movimento. Un inseguitore biassiale, invece, può permettere un incremento della producibilità del 30-40% a seconda dei diversi modelli.

Produzione elettrica di un impianto fotovoltaico nell’arco della giornata relativa ad un impiantofisso e ad un impianto con inseguimento solare.

Diminuzione di densità dell’aria verso il basso


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Il costo maggiore (ca + 25%) risulta ampiamente bilanciato da una maggiore produttività (+30%).


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Watt = UNITA’ DI MISURA PER LA POTENZAL’ Energia, che rappresenta quindi la capacità di un sistema di compiere lavoro, e pari alla potenza erogata moltiplicata per il tempo dell’erogazione. Generalmente si misura in J (Joule), mentre quella elettrica si misura il Wh (Wattora) ed equivale all’energia resa disponibile da un dispositivo che eroga un Watt di potenza per un ora. L’energia di 1.000 Wh (1KWh) rappresenta la capacità di svolgere un lavoro pari ad 1KW per la durata di 1 ora.

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DIMENSIONAMENTO DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO

1.Calcolare i consumi energetici dell'utenza che utilizzerà l'impianto:Per interventi di retrofit calcolare l'energia necessaria all'utenza facendo una media dei consumi degli ultimi mesi o, se possibile, degli ultimi anni, semplicemente analizzando le bollette della fornitura elettrica. Se non è possibile effettuare questo tipo di calcolo (edifici nuovi) possono considerarsi come base di dimensionamento dei valori statistici o stimare i consumi in base alle potenze di targa delle apparecchiature elettriche e al numero di ore di funzionamento per il tempo considerato.

ln generale per utenze domestiche, si stima che il consumo medio di una famiglia italiana è compreso tra i 3.000 e i 4.000 kWh/anno.


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2.Fattori climatici del sito di posizionamento dell’impianto:Considerare la posizione geografica del sito (latitudine), fattori climatici (radiazione solare kWh/m2), posizione di istallazione dell'impianto (orientamento, inclinazione dei pannelli, coperture edifici, facciate, terreni), presenza di eventuali ombreggiamenti.

Quindi, si deve considerare la radiazione solare media annua per unità dì superficie, misurata in kWh/m2. Generalmente la superficie captante viene istallata con inclinazione diversa da quella orizzontale, definendo anche l'orientamento rispetto ai punti cardinali. Pertanto deve essere applicato un coefficiente correttivo che tenga conto del diverso valore di esposizione alla radiazione solare.


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3.Rendimento degli elementi dell’impianto:Il rendimento dei moduli fotovoltaici e il rendimento di conversione (rapporto tra l’energia elettrica disponibile in corrente alternata e l’energia elettrica in corrente continua prodotta dai moduli fotovoltaici) contribuiscono a ridurre le potenzialità dell'intero sistema. ll rendimento dei moduli varia in base al materiale utilizzato con percentuali che vanno dal 10 al 15% per le celle di silicio monocristallino e policristallino, e dal 4 al 7% per le celle di silicio amorfo. ll rendimento di conversione, invece, dipende da numerosi fattori, tra i quali perdite per effetto del surriscaldamento dei moduli fotovoltaici, le perdite dell'inverter, le perdite per imperfetto accoppiamento dei moduli e le perdite dovute alla resistenzaelettrica nei cavi. I valori del rendimento di conversione variano tra il 75 e l'85%.Di conseguenza il dimensionamento dell'impianto deve subire una maggiorazione tale da coprire le perdite intrinseche del sistema.


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25 FEBBRAIO 2011Dati sulla radiazione solare a Reggio Calabria



Radiazione solare annua (kWh/m2) orizzontale verticale ottimale

minima 1605 1081 1788 media 1634 1131 1835 massima 1693 1184 1906

Produzione annua per kilowatt picco (kWh/kWp) orizzontale verticale ottimale

minima 1146 737 1251 media 1201 839 1343 massima 1252 886 1403

Angolo di inclinazione ottimale per i moduli fotovoltaici (in gradi) Angolo

minimo 30 medio 31 massimo 32


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DIMENSIONAMENTO DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICOPer dimensionare la superficie totale di captazione della radiazione solare facciamo il rapporto tra l'energia elettrica richiesta dall’utenza e l'energia che l'unità di superficie è in grado di fornire: Superficie = Carico elettrico (Eu)/(Radiazione solare x rendimento di conversione) [m2] [kWh/(kWh/m2)]

Come si procede per calcolare il numero di moduli?- Si sceglie la tipologia di moduli più adatti alle esigenze dell'utenza secondo il parametro della potenza di picco, definita come la potenza che il sistema fotovoltaico è in grado di erogare in condizioni standard (flusso solare di 1000 W/m2 in assenza di nuvolosità e temperatura di 25°C) - Per ottenere il numero di moduli si divide dividere i m2 di superficie richiesta per la superficie unitaria di ciascun modulo (in genere 0.50 – 1 m2).


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Se la superficie calcolata per soddisfare il fabbisogno dell’utenza è superiore a quella disponibile si procede in questo modo:

- A partire dalla radiazione solare globale annua (kWh/m2), si determina la producibilità annua (kWh/kWp anno), come in Tabella.- Si sceglie, in funzione delle proprie esigenze architettoniche, la tipologia di tecnologia, quindi la potenzialità (Wp).- Si calcola la potenza di picco che 1 m2 del dato modulo può erogare (Wp/m2)-Si moltiplica la potenza di picco che 1 m2 del dato modulo può erogare (Wp/m2) per la superficie disponibile (Wp/m2*m2) e così si ottiene la potenza massima installabile nel proprio sito esprimendola in kWp (Wp/1000).- Si moltiplica la producibilità annua (kWh/kWp anno) per la potenza massima installabile nel proprio sito (kWp) e si calcola la produzione annua dell’impianto

EPV = Producibilità annua x potenza massima installabile

LABORATORIO DI COSTRUZIONI 25 FEBBRAIO 2011 Laboratorio di Costruzioni Modulo di Impianti Facoltà...

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