Accoppiare Pannelli FV e Inverter - 2 di 3

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Proseguiamo con la seconda parte della nostra trattazione inerente la strategia di accoppiamento fra pannelli e inverter fotovoltaici.
DATASHEET DI UN PANNELLO FOTOVOLTAICO: PARAMETRI ELETTRICI
La figura seguente mostra un esempio di datasheet riportante i parametri caratteristici di ...

uno specifico pannello fotovoltaico in silicio policristallino. Oltre ai parametri fisici ed ai già citati valori VMP e IMP (tensione e corrente nominali) fra i dati elettrici è possibile notare anche altri valori e importanti caratteristiche che andremo adesso a descrivere meglio.

Come visibile dalla figura, vengono forniti i valori di stessi dati elettrici per due diverse condizioni di test: STC e NOCT. I dati elettrici riferiti alle condizioni STC sono i più significativi in quanto, come già accennato, sono tutti i parametri forniti e misurati alle condizioni standard di test; essendo le condizioni STC uguali ed universali, attraverso tali valori è possibile paragonare gli stessi parametri fra pannelli simili ma di marche e modelli differenti; i dati elettrici NOCT invece variano da marca a marca e da modello a modello del pannello e si riferiscono a condizioni di prova definite “normali” (NOCT sta per Normal Operating Cell Temperature): ogni costruttore può stabilire quali siano per lui le condizioni di test “normali” e in genere i fabbricanti forniscono tali valori per condizioni ottimali di funzionamento dei loro pannelli. Dal momento che non si tratta di dati standard e uguali per tutti, i parametri a condizioni NOCT possono essere presi in considerazione solo come valori aggiuntivi e maggiormente descrittivi e ad ogni modo assolutamente in maniera secondaria e supplementare rispetto a quelli definiti in condizioni STC che risultano di gran lunga più significativi anche ai fini della progettazione che vedremo a breve.

Descriviamo sinteticamente alcuni dei parametri elettrici (STC) che si trovano nel datasheet della precedente figura:

· Tensione massima di sistema (ai sensi delle norme IEC/UL): è la massima tensione a cui il singolo pannello è in grado di funzionare; se si supera tale valore il pannello può danneggiarsi irreversibilmente; per pannelli in silicio monocristallino e policristallino è quasi sempre pari a 1000 V; tale valore influisce sul numero massimo di pannelli di cui può essere composta una stringa ovvero fissa la quantità massima di moduli che è possibile collegare in serie; il valore di tensione complessivo ai capi di una stringa come visto è infatti pari al valore di tensione del singolo pannello moltiplicato per il numero di pannelli stessi della stringa: in una stringa ogni singolo pannello ai suoi capi è sottoposto alla tensione complessiva di stringa ed ecco perché non deve essere superato il valore di 1000 V;

· Potenza nominale già discussa in precedenza e pari al prodotto di tensione e corrente nominale
(VMP x IMP); ad esempio per il pannello da 250 Wp si ha: (VMP x IMP) = (30,7 x 8,15) = 250 Wp circa;

· Tensione al punto di massima potenza (indicato solitamente con VMP): già descritto precedentemente;

· Corrente al punto di massima potenza (indicato solitamente con IMP): già descritto precedentemente;

· Tensione a circuito aperto (indicato solitamente con VOC) : come già scritto per VMP e IMP tale parametro è legato alle curve elettriche caratteristiche dei pannelli fotovoltaici sulle quali per il momento non ci soffermeremo; tuttavia impiegheremo la VOC per descrivere come progettare elettricamente ovvero accoppiare campi o sottocampi fotovoltaici ad uno o più inverter o a uno o più MPPT degli inverter; la VOC è un valore di tensione leggermente superiore a quello nominale VMP ed ecco perché tra l’altro viene preso in considerazione in fase progettuale: la verifica su di esso, essendo più alto di VMP, rende la progettazione più sicura;

· Corrente di corto circuito (indicato solitamente con ISC o ICC ): come già scritto per VMP e IMP tale parametro è legato alle curve elettriche caratteristiche dei pannelli fotovoltaici sulle quali per il momento non ci soffermeremo; tuttavia impiegheremo la ISC per descrivere come progettare elettricamente ovvero accoppiare campi o sottocampi fotovoltaici ad uno o più inverter o a uno o più MPPT degli inverter; la ISC è un valore di corrente leggermente superiore a quello nominale IMP ed ecco perché tra l’altro viene preso in considerazione in fase progettuale: la verifica su di essa, essendo più alta di IMP, rende la progettazione più sicura;

· Efficienza del pannello: definita come il rapporto fra potenza nominale del pannello e sua superficie; ad esempio per il pannello da 255 Wp nel datasheet è indicata un’efficienza del 15,4% che si ottiene dividendo 255 Wp per la superficie dello stesso pannello pari a 1,665m x 0,999m = 1,663 m2 quindi 255 : 1,663 = 153,33 W/m2. La definizione di rendimento di un sistema è al solito il rapporto fra grandezza di USCITA e grandezza di INGRESSO; dividendo dunque l’uscita in potenza del pannello (153,33 W/m2) per l’ingresso di 1000 W/m2 teorici di irraggiamento, si ottiene 0,15333 ovvero in percentuale 15,33%; in realtà nel datasheet è indicato 15,4% perché anziché 255 Wp si è probabilmente considerato l’esatto prodotto VMP x IMP cioè 31 x 8,24 = 255,44 Wp da cui 15,4% di rendimento circa;

· Coefficiente di temperatura di potenza (riferito a PMAX ed indicato comunemente con γ [“gamma”]): il parametro è legato agli effetti della temperatura dei pannelli (correlata a sua volta tra l’altro alla temperatura ambiente) sulla potenza di uscita del pannello stesso; più tale temperatura è alta e più il pannello diminuisce il suo rendimento di conversione da raggi luminosi a elettricità; quindi, a parità di irraggiamento, a 50° C di temperatura del pannello si avrà una potenza in uscita dal pannello stesso più piccola rispetto a quella che si avrebbe a 25°; il coefficiente di temperatura di potenza indica proprio l’entità di questo scostamento di potenza in uscita dal pannello rispetto alle variazioni di temperatura dello stesso; il parametro è dato in %/°C o in W/°C ed è sempre negativo in quanto, come detto, all’aumentare della temperatura la potenza in uscita dal pannello diminuisce; nel caso del datasheet di esempio del pannello della figura precedente, esso vale -0,43%/°C ; per convertire tale valore in termini assoluti ovvero in W/°C basta applicare tale percentuale al valore nominale della potenza del pannello data a STC quindi lo 0,43% ad esempio di 260 Wp è circa 1,12 W e quindi si ottiene -1,12W/°C il che sta a significare che per ogni grado centigrado di temperatura che aumenta rispetto a 25°C, la potenza in uscita dal pannello scende di 1,12 W; dal momento che la potenza nominale è data alle STC ovvero a 25°C di temperatura del pannello, un modulo che erogherebbe 260 Wp teorici a 25°C, si troverebbe a erogarne al massimo 215 Wp a 65°C [perché ci siamo spostati di 40°C in più rispetto ai 25°C quindi 40 x 1,12 W = 44,7 W di riduzione dai 260 Wp di partenza a 25°C]; viceversa se scendiamo al di sotto dei 25°C di STC portandoci ad esempio a 0°C il pannello erogherebbe 288 Wp anziché 260 Wp a 25°C [perché ci siamo spostati di 25°C in meno rispetto ai 25°C quindi 25 x 1,12 W = 28 W di aumento dai 260 di partenza a 25°C];

· Coefficiente di temperatura di tensione a circuito aperto (riferito a VOC ed indicato comunemente con β [“beta”]): analogamente a quanto detto per il coefficiente di temperatura in potenza, tale parametro stabilisce l’entità della variazione del valore VOC con la variazione della temperatura; il Coefficiente di temperatura di tensione a circuito aperto è anch’esso sempre negativo ed è dato in %/°C oppure in V/°C; per convertire un valore da %/°C a V/°C o viceversa si ragiona esattamente come già scritto per il Coefficiente di temperatura di potenza; il Coefficiente di temperatura di tensione a circuito aperto è un parametro molto importante che viene utilizzato per la progettazione elettrica (accoppiamento pannelli-inverter); lo vedremo meglio in seguito.

· Coefficiente di temperatura di corrente di corto circuito (riferito a ISC o ICC ed indicato comunemente con α [“alfa”]): analogamente a quanto detto per il coefficiente di temperatura in potenza e per quello di tensione a circuito aperto, tale parametro stabilisce l’entità della variazione del valore ISC (o ICC) con la variazione della temperatura; tale coefficiente è sempre positivo ed è dato in %/°C oppure in A/°C; per convertire un valore da %/°C ad A/°C o viceversa si ragiona esattamente come già scritto per il Coefficiente di temperatura in potenza; il Coefficiente di temperatura di corrente di corto circuito è anch’esso un parametro molto importante che viene utilizzato per la progettazione elettrica (accoppiamento pannelli-inverter); lo vedremo meglio in seguito.


“STRINGAGGIO”, FUNZIONAMENTO OTTIMALE DEGLI INVERTER IN MPPT
Gli ultimi due coefficienti di temperatura appena descritti (α e β), vengono impiegati direttamente ai fini della progettazione ovvero dell’accoppiamento elettrico fra inverter e campo o sottocampo fotovoltaico (fra inverter e pannelli fotovoltaici).
Gli inverter o meglio i loro MPPT (per chi ne ha più di uno) riescono infatti a funzionare con l’efficienza nominale (rendimento) dichiarata dai costruttori degli inverter stessi, solo se il range di tensione e corrente elettrica in ingresso ai convertitori (proveniente dai pannelli fotovoltaici) ha valori all’interno di determinati intervalli. Tali intervalli sono dati dai costruttori degli inverter e sono riportati sui loro datasheet. Un range di tensione e corrente DC che non sia all’interno degli intervalli di targa riportati nelle schede tecniche dei convertitori, non solo provoca un funzionamento ovvero una conversione DC/AC (da corrente continua ad alternata) con un basso rendimento, ma può provocare addirittura il mancato funzionamento dell’inverter; esso infatti non attiva la conversione fin quando ai suoi capi (o ai capi dei suoi MPPT) non riceve dei valori corretti di tensione e/o corrente.
Dal momento che i range di tensione e corrente ammissibili in ingresso agli inverter sono fissati dai loro costruttori, la progettazione e lo studio dell’accoppiamento pannelli-inverter, definito in gergo “stringaggio”, si riduce a studiare quali combinazioni di serie ed eventuali paralleli di serie di pannelli fotovoltaici possono essere realizzate per soddisfare tali vincoli legati agli intervalli di tensione e corrente stesse. Ricordando infatti che un sottocampo con più pannelli in serie ha ai suoi capi una tensione pari a quella del singolo pannello moltiplicata per il numero di pannelli che compongono la stringa e che invece la corrente di un sottocampo può essere variata ponendo in parallelo più o meno serie (simili) di pannelli, si intuisce come nella progettazione elettrica occorrerà ricercare la combinazione ideale per soddisfare i parametri elettrici di ingresso dell’inverter.



La progettazione vera e propria (“stringaggio”) consiste nell’effettuare un’analisi per stabilire tutte le possibili combinazioni ammissibili (serie ed eventuali paralleli di serie di pannelli) per ciascun inverter (o ciascun suo MPPT). Per ogni valutazione di ammissibilità di una certa combinazione di collegamento di pannelli, occorrerà calcolarne i valori nominali di tensione e corrente come visto precedentemente e verificare che tali valori rientrino all’interno dei range consentiti dall’inverter che si sta considerando; si dovrà poi anche effettuare un’analisi legata alle possibili variazioni di tali valori con la temperatura ambiente che influenza a sua volta la temperatura dei pannelli. I coefficienti di temperatura α e β descritti, sono utilizzati proprio in tal senso affinché, stabilita una possibile e specifica combinazione in serie e paralleli di pannelli, si possa, attraverso tali coefficienti, valutarne le variazioni di tensione e corrente di tale combinazione in funzione delle variazioni di temperatura dei pannelli; si potrà così verificare se anche i valori limite trovati di tensione e corrente (corrispondenti alle temperature di esercizio limite massime e minime) siano ancora appartenenti ai range ammissibili in ingresso all’inverter (o ad uno o più dei suoi MPPT).
Le norme tecniche stabiliscono che le temperature di esercizio dei pannelli che devono essere considerate quando si progetta debbano essere (perlomeno in Italia): -10°C la minima e +70°C la massima. Si evidenzia che tali temperature sono quelle che si hanno sui pannelli e non quelle ambiente; un pannello può facilmente arrivare a +70°C in estate sia per il fisiologico riscaldamento del suo vetro esposto per tutto il giorno al sole, sia a causa della corrente che fluisce nei pannelli stessi il cui fluire per definizione, provoca anch’esso un riscaldamento (per effetto Joule).

 


Continua a leggere la terza parte di quest'articolo (o, se l'hai persa, leggi la prima):

Accoppiare pannelli FV e inverter (3-3)   Accoppiare pannelli FV e inverter (1-3)
 

 

 

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