Alunno: Vincenzo Pasquini   -         Anno Scolastico:2010/2011

Impianto Fotovoltaico

Principali componenti e principio di funzionamento

IV - Tipologie di impianto

Attualmente per quanto riguarda le tipologie di impianto fotovoltaico possiamo identificare due macro-categorie: gli impianti isolati dalla rete (stand-alone o off-grid) e gli impianti collegati alla rete elettrica (grid-connected).

Impianti isolati dalla rete (stand-alone o off-grid)

Comprendono tutte quelle applicazioni per carichi di piccola potenza in servizio isolato dalla rete come alimentazioni ripetitori telefonici,carica batteria per imbarcazioni da diporto,camper ecc.

Impianti collegati alla rete (grid-connected)

Comprendo tutte quelle applicazioni che riversano l’energia prodotta direttamente nelle rete elettrica pubblica,tali impianti possono avere potenze ridotte,come nel caso dei tetti fotovoltaici che non superano la potenza di pochi kW,oppure potenze considerevoli nel caso delle centrali fotovoltaiche con potenze che posso arrivare anche a diversi MW.

Schema di un impianto grid-connected

I sistemi di accumulo

Nei sistemi fotovoltaici isolati dalla rete,l’accumulo di energia elettrica avviene tramite una batteria di accumulatori la quale oltre a svolgere tale funzione viene utilizzata per garantire continuità di servizio in situazioni di basso irraggiamento,permette di evitare sovradimensionamenti nei casi di picchi di carico e in alcuni casi migliora l’accoppiamento tra il generatore fotovoltaico e il resto dell’impianto. Le principali caratteristiche di tali batterie sono:

-Lunga durata (numero di cicli carica/scarica);

-Elevata efficienza (rapporto tra energia fornita ed energia immagazzinata);

-Buona resistenza alle escursioni termiche;

-Bassa manutenzione;

-Ridotta autoscarica.

Le batterie che generalmente corrispondo a tali caratteristiche e che quindi sono le più impiegate sono le piombo-acido,che hanno goduto di decenni di sviluppi tecnici nel campo dell’industria automobilistica. Per gli impianti fotovoltaici queste batterie non hanno particolari caratteristiche costruttive e non possiedono le prestazioni elettriche di quelle che si utilizzano nell’avviamento o per la trazione,ma ne assimilano alcune soluzioni tecniche. Purtroppo le batterie al pb-acido,in contrapposizione alle caratteristiche soddisfacenti,presenta un’energia specifica (Wh/Kg e Wh/m³) relativamente bassa. Vi sono altri tipi di batterie come ad esempio quelle al Nichel/Cadmio che possiedono un elevato numero di cicli carica/scarica ma sono altamente nocive all’ambiente;si cerca di sostituire queste ultime con batterie al Litio o al NiMH che presentano un’alta capacità,una vita intermedia e un bassissimo impatto ambientale ma che possiedono anche un’alta resistenza interna che le relega a piccole correnti. In generale,per qualsiasi tipo di batteria,i parametri significativi di scelta e d’utilizzo di un sistema di batterie sono:

-Tensione nominale: solitamente 24 V, ma in altri casi fino a 800 V;

-Tensione di carica: deve essere superiore alla tensione nominale e deve variare con la

temperatura in modo da non superare la soglia di sviluppo dei gas;

-Capacità: è la quantità massima di energia erogabile e diminuisce con l’intensità e la

rapidità della scarica; convenzionalmente ci si riferisce a C10 (a 25°C in 10 ore di scarica

con una tensione finale di 1,85 Vpc); è funzione anche della densità dell’elettrolito, della

temperatura e dell’età;

-Resistenza interna: provoca il riscaldamento della batteria e l’abbassamento della tensione

al variare del carico; è inversamente proporzionale a C10 e allo stato di carica;

-Corrente di corto circuito: è circa 8÷10-C10 per elementi di piccola taglia e fino a 20-C10 in

quelli di grossa taglia; la massima corrente di corto circuito è Icc=V/Ri

-Massima profondità di scarica o max DOD (depth of discharge): vale circa 50% per

batterie derivate dal settore automotive e fino all’80% per accumulatori a piastre tubolari;

-Stato di carica o SOC (state of charge), è equivalente a 100%-DOD.

I regolatori di carica

Questi dispositivi fanno parte degli impianti fotovoltaici isolati dotato di accumulo elettrochimico (batterie);essi influiscono in modo considerevole sulle prestazioni stesse dell’impianto attraverso il tipo di regolazione che il dispositivo attua sulla carica delle batterie. La principale funzione di questi regolatori è quella di proteggere l’accumulo da sovraccarichi e da scariche eccessive per aumentarne la vita e farlo lavorare in un intervallo di tensioni adeguate all’utilizzo. Inoltre un buon regolatore deve garantire:

-Affidabilità,la quale consiste in un basso tempo medio tra i guasti (MTBF) e una buona risposta al variare delle condizioni operative;

-Semplicità costruttiva,nel caso di dispositivi elettronici si preferisce assemblaggi compatti e di facile cablaggio elettrico.

Tecniche di regolazione della carica

Le principali tecniche di regolazione della carica sono:

-Autoregolazione:si collegano generatore e batteria mediante un diodo in serie per prevenire la scarica durante la notte; è utilizzabile solo per piccolissimi sistemi (1 o 2 moduli fotovoltaici).

-ON-OFF serie, parallelo o a gradini:consiste nella completa connessione o sconnessione del generatore fotovoltaico dalla batteria quando la tensione della stessa arriva ad un valore predeterminato;il generatore può essere lasciato a circuito aperto (on-off serie) o in corto circuito (on-off parallelo). La regolazione a gradini è una particolare regolazione on-off che consiste in una parziale sconnessione e riconnessione del generatore quando si raggiungono prefissati limiti di tensione;questa parziale connessione e sconnessione può avvenire su parti o intere stringhe:

-MPPT:tra il generatore fotovoltaico e l’accumulo vi è in serie un dispositivo MPPT (Maximum Power Point Tracker) che fa lavorare il campo fotovoltaico al suo punto di massima potenza.

-PWM (Pulse Width Modulation): simili ai regolatori a gradini, ma la regolazione è ottenuta mediante un treno di impulsi di durata dipendente dal valore medio della corrente desiderato verso la batteria.

Regolazione della carica,dall’alto:ON-OFF serie;ON-OFF

parallelo;ON-OFF a gradini;MPPT;Autoregolazione.

V - Convertitori statici