Dimensionamento Impianto FV - 1 di 2

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Desunta la quantità di energia prelevata dalla rete ovvero i nostri fabbisogni annuali, potremo procedere al dimensionamento dell’impianto fotovoltaico ideale quello, cioè, in grado di soddisfare la totalità della nostra esigenza di energia elettrica. I calcoli e le considerazioni legati alla scelta della taglia dell’impianto non sono così immediati.

Fra i tanti fattori da considerare oltre all’importante analisi dei nostri fabbisogni annuali, c’è anche il valore correlato alla quantità di energia elettrica che un impianto fotovoltaico potrà produrre in un determinato luogo di installazione. Tale valore produttivo oltre che dalla località, dipende anche da specifici parametri tecnici che è bene tenere in assoluta considerazione. Uno di questi parametri ovvero l’esposizione dei pannelli in realtà è stato già trattato nel corso del nostro articolo Esposizione e Producibilità di Impianti FV. Di seguito andremo a descrivere altri fattori.

Composizione semplificata di un impianto fotovoltaico
Iniziamo a trattare con più dettaglio l’argomento puntualizzando la composizione generale a grandi linee di un impianto fotovoltaico; nella Figura seguente è rappresentato uno schema semplificato delle parti fondamentali che lo compongono e di quelle che entrano in gioco quando esso è in funzione.

 

Da sinistra verso destra si può riconoscere: il sole, la materia prima che “alimenta” l’impianto; i pannelli fotovoltaici, componente chiave che converte effettivamente la radiazione luminosa in energia elettrica; l’inverter, il dispositivo in grado di trasformare la corrente di tipo “continuo” uscente dai pannelli (indicata con DC o CC) in energia elettrica alternata (AC o CA) cioè esattamente uguale a quella della rete elettrica che utilizziamo comunemente in casa; ci sono poi i cavi elettrici con cui si collegano i pannelli fra di loro nonché l’uscita degli stessi all’inverter; coi cavi si collega poi l’uscita dell’inverter sia alle utenze della nostra casa, sia alla rete elettrica. Nella figura precedente sono stati tralasciati sia i contatori che componenti minori come i quadri elettrici o i dispositivi di sicurezza e quelli di monitoraggio (i contatori sono stati ampiamenti trattati nel nostro articolo L'Autoconsumo in un Impianto FV).

I pannelli, detti più propriamente moduli fotovoltaici vengono collegati insieme fra di loro in serie proprio come si fa per le batterie stilo che siamo comunemente abituati a vedere.

I due capi finali dei cavi risultanti confluiscono all’inverter. La potenza di ciascun pannello si somma quindi con quella degli altri così da definire la taglia finale dell’impianto complessivo.

 

Fattori che determinano la produzione energetica di un impianto fotovoltaico
La radiazione solare mostrata nella prima figura è banalmente originata dalla presenza del sole: se il sole non c’è manca la materia prima dell’impianto fotovoltaico e quindi quest’ultimo non produce. Tra i primi fattori che prenderemo in considerazione per capire quanto annualmente produce (in kWh) un impianto fotovoltaico ci sono dunque tutte le variabili che influenzano, non solo la presenza del sole in quanto tale, ma anche tutti quei motivi per cui la radiazione luminosa generata, potenzialmente presente, non raggiunge in realtà la superficie dei pannelli (ad esempio per ombre sugli stessi o pannelli sporchi…). Oltre a non essere presente di notte, anche di giorno il sole può comportarsi in maniera diversa da una località all’altra della superficie terrestre. In fase di progetto o studio di fattibilità di un impianto, la località, banalmente, risulta coincidente con quella nella quale è collocata l’utenza elettrica che stiamo considerando (la nostra casa, la nostra azienda…). Insieme alla località geografica di seguito vedremo che c’è da tenere in considerazione anche molti altri parametri ad esempio la specifica zona di installazione (tetto, suolo, tettoia, pensilina).

 

Località geografica di installazione
Ritornando alla località, avremo a questo punto intuito che un impianto fotovoltaico non garantisce la medesima produzione di energia elettrica annuale in tutti i luoghi ad esempio della nostra Penisola. A variare da regione a regione è infatti la quantità di materia prima che alimenta l’impianto ovvero la radiazione solare annuale che interessa ovvero che incide in una determinata località.

E’ facile intuire come nel nord Italia l’irraggiamento solare medio annuo sia generalmente inferiore rispetto a quello del centro o del sud; il fattore determinante in tal caso è la latitudine geografica: un qualsiasi identico giorno dell’anno dura meno minuti al nord rispetto al sud, in altri termini, se il sole è presente più a lungo durante il giorno, avremo più materia prima che alimenta l’impianto.
Insieme a questo parametro legato alle coordinate di un determinato punto, esistono poi molte altre variabili che influenzano l’irraggiamento solare tra cui la presenza di bacini d’acqua, fiumi, mari, particolari conformazioni e morfologie terrestri che potrebbero variare il microclima generale di una determinata zona rendendolo più o meno favorevole ad aumentare o diminuire la quantità di radiazione solare media annuale che giunge al suolo in una specifica località; tali fattori, determinando infatti il microclima di un’area, ne variano perciò le condizioni meteorologiche medie intese come numero di giorni annuali in cui si presentano statisticamente giornate soleggiate piuttosto che coperte (nuvolose, piovose o nevose).

 

Ombreggiamenti
Altri fattori che influenzano l’irraggiamento solare sono anche gli ombreggiamenti; ne esistono di due tipi: quelli generali, detti ombreggiamenti clinometrici e quelli locali. I primi sono dipendenti dalla forma del terreno o meglio dal profilo all’orizzonte che circonda l’installazione dell’impianto fotovoltaico; si tratta ad esempio di presenza o meno di colline o montagne che all’alba o al tramonto potrebbero coprire il sole quando esso è “basso” cioè vicino all’orizzonte. Gli ombreggiamenti locali invece sono legati ad ostacoli (in genere artificiali) posti nelle immediate vicinanze dell’installazione fotovoltaica; riguardano ad esempio la presenza eventuale di alti palazzi, muri ma anche alberi, canne fumarie, abbaini, antenne televisive; si tratta in generale di tutto ciò che può creare, nel corso della giornata e anche solo per qualche minuto, delle aree ombreggiate sulla superficie dei pannelli stessi così da inficiare o diminuire la quota di radiazione solare che incide su di loro. Il movimento delle ombre sui pannelli va considerato prendendo in considerazione tutti i giorni dell’anno perché la traiettoria giornaliera del sole nell’orbita celeste varia giorno per giorno: se in una determinata giornata non si creano mai potenziali ombre in una zona, ciò non significa quindi che esse non si creeranno nemmeno per tutti i restanti giorni dell’anno.

 

Digressione: l’importanza dell’analisi di progetto preliminare
Sottolineiamo fin da ora che non tutti i fattori legati alla quota di irraggiamento contribuiscono allo stesso modo al valore effettivo finale della radiazione che incide sui pannelli. La maggior influenza di una variabile rispetto ad un’altra, poi, non è generale ma anch’essa dipende dalla particolare situazione in cui si decide di voler piazzare l’impianto sia ad esempio in riferimento alla località geografica, che alla particolare zona di installazione (tetto, cortile, pensilina, tettoia, ecc). Un esempio per comprendere quest’ultima considerazione: nel caso di due impianti installati in aree prive di ombre uno a nord e l’altro nel sud Italia, la latitudine sarà il fattore più importante per paragonarne i livelli produttivi; gli stessi impianti sempre a nord ed a sud Italia ma entrambi in zone con forte presenza di ombre locali, richiederanno un’attenzione particolare all’analisi degli ostacoli ombreggianti che nel risultato produttivo finale prevarranno magari rispetto al fattore posizionamento geografico. In altri termini si può affermare che ogni impianto fotovoltaico ha una storia a se e quindi paragonare ad esempio le produzioni annuali di due installazioni geograficamente vicine in generale non ha molto senso tecnico-scientifico dal momento che quel valore finale di kWh annuali dipende da moltissime variabili (sicuramente diverse fra gli impianti confrontati). E’ inteso perciò che, specialmente in fase di progetto, vanno considerati sempre tutti i fattori, nessuno escluso: vista l’importanza dell’investimento, non è possibile permettersi di “provare” o affidarsi a professionisti con ridotta o dubbia esperienza in tale ambito.

 

Albedo e zone polverose o sporche
Tornando a noi, terminiamo il discorso variabili legate all’irraggiamento solare accennando solo brevemente ad altri parametri che, come le ombre locali, influenzano la parte di radiazione luminosa che incide effettivamente sui pannelli. Il primo è l’albedo ovvero il colore predominante delle zone che circondano un impianto: colorazioni chiare riflettono la radiazione solare concentrandone di più sui pannelli e viceversa per i colori scuri che assorbono la luce. Un altro parametro è il livello di sporcizia/inquinamento dell’aria di una determinata zona; si tratta quindi di aree polverose, sabbiose ma anche zone d’installazione degli impianti con elevata possibilità di accumulo di materiali sui pannelli (fogliame, escrementi di volatili, ambienti industriali “difficili”).

 

Fattore Temperatura
Un ultimo parametro da considerare e che normalmente viene preso anch’esso in considerazione nell’analisi di una località geografica è la temperatura media annuale. Questo fattore non è legato alla quantità di radiazione solare ma il pannello fotovoltaico, a differenza di quanto si creda e diversamente dai pannelli solari termici, produce di meno, ovvero ha minori rendimenti di conversione (da luce ad energia elettrica) in presenza di alte temperature ambiente; zone mediamente ventilate nell’anno o comunque più fresche risultano più favorite rispetto ad altre.

 

Rendimenti del sistema “impianto fotovoltaico”
Trattando il fattore temperatura, abbiamo implicitamente accennato al concetto di rendimento o in alternativa (e in modo complementare), a quello di perdita. Nello schema semplificato di impianto della prima figura, la radiazione luminosa che colpisce effettivamente i pannelli, come visto, non è mai interamente quella potenzialmente prodotta dal sole ma è in generale ridotta da tutti quei fattori e variabili fin qui trattate. Parlando dei diversi rendimenti delle entità (sotto-sistemi) presenti sempre nello schema semplificato di impianto, si può iniziare a considerare tale descritto fenomeno già come un primo ideale sotto-sistema fittizio che ha per ingresso la radiazione solare potenziale complessiva e in uscita una radiazione ridotta che è quella che incide effettivamente sui pannelli fotovoltaici. Tale pseudo entità iniziale avrà dunque un primo rendimento (efficienza) non unitario così come le altre che andremo a descrivere di seguito e che formeranno poi il rendimento complessivo di tutto il sistema impianto fotovoltaico.

Procedendo di seguito nella catena dello schema si trovano i pannelli fotovoltaici, questi quando sono investiti dalla radiazione luminosa effettiva sulla loro superficie, provvedono automaticamente a convertirla in energia elettrica DC (corrente continua). La conversione da luce a corrente elettrica, come tutte le trasformazioni fisiche, avviene con un certo rendimento che per il fotovoltaico dipende dalla tecnologia di realizzazione dei pannelli (silicio policristallino, monocristallino, amorfo…) oltre che da altri fattori (uno l’abbiamo già visto: la temperatura). In questa sede diciamo solo che il rendimento dei pannelli non è costante, sia nel corso della giornata (perché varia ad es. la temperatura ambiente) che nel corso degli anni; il naturale invecchiamento (degradazione) delle materie di cui sono composti i pannelli (ad esempio il silicio) provoca senz’altro la riduzione dell’efficienza anche se in modo molto graduale e soprattutto durante un periodo temporale piuttosto lungo (30 anni e più). Il rendimento dei pannelli attualmente presenti sul mercato varia dal 7% (pannelli in silicio amorfo) al 18-19% (pannelli in silicio poli o monocristallino), fino a raggiungere il 22-23% (per particolari tecnologie).

Dopo i pannelli, nello schema troviamo il dispositivo detto inverter (o convertitore) che effettuando anch’esso una trasformazione (da corrente continua a corrente alternata), anche in tal caso ha un certo rendimento; generalmente qui l’efficienza è però comunque piuttosto alta e si aggira in media al 95-98% (ovvero: del 100% della corrente continua in ingresso all’inverter esso riesce a convertirne il 95% o 98% in corrente alternata in uscita).

Un altro fattore che determina un’ulteriore perdita di energia nello schema è costituito dalla (necessaria) presenza dei cavi elettrici sia quelli DC dei pannelli che quelli AC posti dopo l’inverter fin nelle nostre utenze casalinghe; in genere la perdita di energia in tali casi si aggira al 4-5% (ovvero in altri termini e in modo complementare: l’efficienza complessiva dei cavi è circa del 95-96%). I cavi non hanno un rendimento del 100% perché per trasportare l’energia elettrica ne dissipano irrimediabilmente una piccola parte in calore.

 

Rendimento (o efficienza) dei moduli fotovoltaici
Abbiamo appena visto che il rendimento commerciale dei pannelli oscilla generalmente dal 7% fino al 23%. Naturalmente rendimenti più alti equivalgono, nella stragrande maggioranza dei casi, anche a prezzi più elevati. Prima di approfondire il concetto di rendimento di un modulo fotovoltaico occorre chiarire cosa esso significa nella pratica. Abbiamo visto che l’efficienza dei pannelli varia in base ad esempio alla temperatura e così per determinare il rendimento di un pannello vengono stabilite una volta per tutte condizioni ambientali standard (dette STC: Standard Test Conditions), simili per tutti i produttori, con cui riferirsi e dichiarare i rendimenti. In tal modo riusciamo quindi a paragonare i dati di targa di un pannello rispetto ad un altro; in caso contrario ogni produttore potrebbe scrivere valori di rendimento del proprio pannello calcolato in condizioni che risultano ottime ma solo per quello specifico modulo fotovoltaico. Passiamo adesso al concetto di rendimento di conversione da energia luminosa a energia elettrica. In una giornata serena, su una superficie perpendicolare ai raggi del sole, incidono mediamente circa 1000 Watt (1000 W) di potenza luminosa per ogni metro quadrato (m2) di tale superficie (1000 W/m2 potenziali quindi). Se un pannello fotovoltaico per ipotesi ha dimensioni tali da occupare una superficie proprio di 1 m2 ed ha un rendimento del 16% (efficienza tipica dei pannelli in silicio policristallino) significa che dei 1000 Watt luminosi che colpiranno la sua superficie (posta esattamente perpendicolare ai raggi del sole), esso sarà in grado di convertirne solo 160 Watt; ci ritroveremo dunque in uscita dal pannello una potenza di energia elettrica (in corrente continua) di 160 Watt. I moduli fotovoltaici commerciali in genere non hanno una esatta superficie di 1 m2; la maggioranza di essi ha dimensioni rettangolari che si attestano all’incirca a 1,6 metri per un lato e 1 metro per l’altro, dunque una superficie di circa 1,6 m2. La potenza dei pannelli viene indicata in Wp (Watt di picco) perché è quella massima potenziale che il pannello stesso riesce ad avere in uscita nelle citate condizioni standard (STC). Se abbiamo ad esempio un pannello di taglia 260 Wp e di 1,6 m2 di superficie, calcolare il suo rendimento equivale a dividere la sua potenza per la superficie del pannello stesso; in tal modo si ottiene la potenza che il pannello riesce a convertire al metro quadro unitario; nello specifico esempio: 260Wp divisi per 1,6 m2 forniscono un risultato di 162,5 W/m2 equivalenti che il pannello avrebbe se fosse esattamente di 1 m2 ; per come precedentemente ragionato quindi il rendimento è pari al 16,25 %.

Per avere rapidamente il rendimento percentuale di un pannello la formula è la seguente:

dove P è la potenza del pannello espressa in Wp, ed S è la superficie del pannello espressa in m2. La superficie in m2 si ottiene moltiplicando i metri di lunghezza e quelli di larghezza del pannello.

Sommando la taglia in potenza dei singoli pannelli costituenti un impianto si ottiene la potenza complessiva di quell’installazione. Ad esempio se ho un impianto con 12 pannelli da 250 Wp cadauno significa dire che l’impianto fotovoltaico complessivo è di 3 kWp (si legge “3 chilo Watt” ottenuti come 250 Wp x 12=3000 Wp cioè 3 kWp). Ragionando in modo simile e riprendendo l’esempio precedente si può anche dire in altri termini che per realizzare un impianto da 1 kWp di potenza massima (nominale), volendo impiegare gli stessi pannelli dell’esempio di cui sopra con il 16,25 % di rendimento, avremo bisogno di circa 6,15 m2 di spazio di installazione per ogni kWp (per ottenere tale cifra basta dividere il numero “100” per lo specifico rendimento del pannello [100:16,25=6,15 m2 circa]); dunque se volessimo realizzare un’installazione da 3 kWp occorrerebbero circa 6,15 m2 moltiplicati per 3 kWp ovvero 18,45 m2 e così via.

 

 

Stima produzione media annua fotovoltaico per diverse zone geografiche d’Italia
Nella catena di entità e dispositivi dello schema semplificato di impianto fotovoltaico è piuttosto intuitivo immaginare che i rendimenti di ciascun blocco vadano considerati complessivamente (quindi somma delle perdite di moduli, inverter, cavi, altro…). Nella sostanza, per avere un’idea del rendimento totale attraverso un esempio piuttosto reale: se in ingresso al sistema dello schema avessimo la presenza di una radiazione luminosa equivalente a 8500 kWh annuali di energia per ogni kWp di potenza di fotovoltaico installato, in uscita al sistema si avranno, considerati tutti i rendimenti (o le perdite), circa 1200 kWh/anno di energia elettrica per ciascun kWp installato.

La figura dell’Italia mostrata in precedenza fornisce, in base a determinate aree, proprio il valore in uscita dell’intera catena del sistema fotovoltaico ovvero un valore stimato medio di energia elettrica annuale prodotta per ogni kWp di fotovoltaico installato; è evidente a questo punto che si tratta di un valore finale in kWh/kWp annuali che deriva da molti fattori (da tutti quelli visti precedentemente) e che quindi si basa su semplificazioni ed ipotesi sul valore dei fattori stessi; ad es. nella figura è stata ipotizzata un’inclinazione ed un orientamento dei pannelli come ottimali.

 

Un semplificato esempio di analisi di fattibilità: decidere la taglia ideale di un impianto
Proviamo ora ad effettuare un esempio per iniziare a comprendere come utilizzare alcuni dei concetti appresi fin qui e in particolare come dimensionare l’impianto fotovoltaico ovvero sceglierne la potenza nominale (in kWp) in grado di soddisfare il nostro fabbisogno annuale di energia elettrica.

Ripercorrendo quanto appreso: ipotizziamo innanzitutto di piazzare la località geografica di interesse per la nostra realizzazione nel Centro Italia (ad esempio a Roma) perché magari è lì che abbiamo la nostra abitazione. Supponiamo di non avere alcun ombreggiamento clinometrico; se ne avessimo ad esempio uno rappresentato da un fronte collinare ad Est o peggio montuoso, esso potrebbe coprirebbe parzialmente il sole e ridurre o perfino annullare il suo contributo durante le prime ore del mattino; ciò potrebbe tradursi addirittura in un risultato tale da compromettere la stessa fattibilità dell’investimento fotovoltaico. Ipotizziamo inoltre di non avere nemmeno ombreggiamenti locali provocati da alberi, altri palazzi o alte case magari a sud e né tantomeno  ombre locali dovute alla stessa geometria della nostra abitazione.

Ipotizziamo di tralasciare tutte le altre variabili di influenza sulla produzione: sia quelle trattate precedentemente che altre qui non ancora incluse. La geometria dell’edificio ad esempio e il suo orientamento (nord, sud, ovest, est…) è un altro elemento in grado di influenzare la produzione dell’impianto in quanto determinerà il tipo di installazione possibile.

Considerando quindi semplicisticamente, attraverso la figura precedente dell’Italia, la produzione media annuale data per quella determinata regione o provincia, otterremo ad esempio una produzione specifica annuale di 1200 kWh/kWp.

La taglia del nostro impianto dovrà essere tale per cui la sua produzione in kWh annuali, dovrà uguagliare il più possibile i nostri fabbisogni annuali sempre in kWh. Ipotizziamo di considerare per la nostra abitazione l’esempio già visto della bolletta del nostro articolo Determinare i Fabbisogni di Energia Elettrica da cui se ne deduce un consumo annuo (fabbisogni) di 4360 kWh. Dal momento che il nostro ipotetico impianto ha una produzione specifica di 1200 kWh per ogni kWp installato, basterà dividere i fabbisogni per la produzione specifica (detta in genere producibilità); il risultato rappresenterà la taglia ottimale ovvero il dimensionamento dell’impianto fotovoltaico. Nello specifico avremo: 4360 kWh:1200 kWh/kWp = 3,63 kWp circa; naturalmente sul mercato non esistono pannelli di qualunque taglia tali da permetterci di raggiungere esattamente la potenza trovata di 3,63 kWp. Così, scegliendo ad esempio un pannello policristallino da 260 Wp (0,26 kWp), se ne deduce che ne occorreranno 14 (3,63:0,26 = 14 pannelli circa) per avere una taglia complessiva finale di 3,64 kWp che comunque si avvicina molto a quella ideale di 3,63 kWp precedentemente calcolata.

 

 

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