GUIDA AL FOTOVOLTAICO : installazione e componenti di protezione (parte 3/5)

Conoscere il fotovoltaico

Conoscere i componenti e le strutture per installare un impianto fotovoltaico non significa per forza realizzarlo in maniera corretta. Infatti oltre alle funzionalità basilari, in questo tipo di impianti, l’efficienza è un fattore di merito necessario. Analizzeremo alcune regole fondamentali per una corretta e redditizia installazione, oltre a prendere visione dei vari dispositivi di protezione. Conosceremo infine l’inverter…

 

1.3.2       Regole per una buona installazione

Realizzare un buon impianto significa certamente partire da un buon progetto nato dopo un attento e minuzioso sopralluogo rispettando semplici regole che contribuiscono ad una installazione efficiente.

La disposizione dei pannelli deve essere realizzata cercando di agevolare l’aerazione dei moduli per evitare eccessivi surriscaldamenti e perdite di potenza. Per questo è bene mantenere una leggera intercapedine anche sul lato dei pannelli non distanziati dai morsetti intermedi, creando quindi intorno al moduli uno spazio di circa 20mm che permetta all’aria calda, che si forma al di sotto dei moduli, di uscire.

Nel piazzare le strutture, cercare di posizionare sempre i morsetti, siano essi intermedi che finali, sul lato lungo del pannello poiché assicurano una migliore tenuta e soprattutto perché alcuni produttori invalidano la garanzia se questi vengono piazzati sul lato corto del modulo.

I collegamenti elettrici fino all’inverter devono essere più corti possibile e sarebbe buona norma saldare i connettori Tyco montati per raccordare i pannelli, e comunque utilizzare la crimpatrice apposita. Infatti molte delle perdite dell’impianto spesso sono causate da cattiva conduzione. I connettori sui pannelli non vanno assolutamente tagliati per effettuare giunzioni dirette, anche se poi saldate, in quanto questo causerebbe l’immediata perdita della garanzia sul modulo.

Nonostante ormai molti pannelli siano in classe due, con doppio isolamento, il cui simbolo è rappresentato da due quadrati l’uno nell’altro, è buona norma collegare a terra oltre che la struttura, anche i pannelli cablandoli singolarmente. E’ importante per la messa a terra utilizzare delle rondelle zigrinate che “mordano” la superficie anodizzata dell’alluminio che non è conduttiva: senza questa precauzione la messa a terra è inutile. Un buon impianto di terra è fondamentale per avere una corretta equipotenzialità dell’impianto ed un rendimento ottimale dell’inverter.

Anche se molti inverter hanno grado IP65, e possono quindi essere tranquillamente installati all’esterno, è bene sempre cercare di ripararli dai raggi solari diretti e dalle intemperie. Questo può essere fatto semplicemente con una piccola tettoia che protegga l’inverter, ma mai con protezioni che lo racchiudano completamente in quanto favorirebbe il surriscaldamento dell’inverter. Nel caso di impianti con più inverter è inoltre fondamentale rispettare le distanze minime tra inverter indicate nelle specifiche tecniche. Se questo non viene fatto, gli inverter potrebbero surriscaldarsi a vicenda utilizzando uno l’aria calda dell’altro.

La sistemazione di quadri ed inverter deve essere studiata con cura per creare un percorso ottimale dei cavi evitando, per quanto possibile, incroci tra i cavi della rete (AC) e quelli dei pannelli (DC) ed ottenere una disposizione ordinata dei dispositivi. Inoltre i cavi in alternata e quelli in continua devono correre in canaline o corrugati distinti.

Anche i cablaggi dei pannelli devono essere ordinati e fissati tramite fascette plastiche alla struttura di fissaggio dei pannelli. Nel caso di impianti di grandi dimensioni, è buona norma posizionare apposite canaline sotto le trussure per la protezione dei conduttori elettrici.

Modifica fondamentale da effettuare sull’impianto elettrico esistente è la sostituzione del differenziale con uno di medesima taglia ma con corrente di dispersione di 0.3A e non 30mA. Infatti l’impianto fotovoltaico genera perdite verso terra generalmente maggiori di 30mA che ne causerebbero il continuo distacco.

 

1.4       Dispositivi di protezione lato DC

1.4.1       Tipi di cavi

Se per la sezione Ac dell’impianto viene utilizzato del normale cavo FG7 a tre o cinque conduttori a seconda si tratti di un impianto monofase o trifase, per la sezione in corrente continua è bene utilizzare l’apposito cavo fotovoltaico.

Si tratta di cavo generalmente monopolare con anima in rame ed un doppio isolamento garantito per tensioni maggiore di 2kV ed estremamente resistente ai raggi UV ed alle escursioni termiche dovendo lavorare a temperature tra i -40 ed i +90°C con una temperatura di cortocircuito di 250°C.

Alcuni modelli hanno anche uno schermo realizzato con una calza di rame o alluminio. Altra caratteristica importante dei cavi fotovoltaici è l’infiammabilità e la bassissima emissione di fumi tossici in caso di incendio. Le loro caratteristiche sono tali da permetterne l’installazione senza l’utilizzo di guaine, almeno per quanto riguarda la parte di impianto situata sul tetto mentre è naturale che per le discese, l’installazione in canali o corrugati è esteticamente e logisticamente consigliata.

1.4.2       Sezionatori e Fusibili

Nonostante la maggior parte degli inverter sia dotata di sezionatori lato Dc, in alcuni casi è bene replicare il sezionamento, con apposito interruttore, soprattutto quando il quadro di parallelo stringhe è molto distante dall’inverter. Generalmente di tratta di un interruttore automatico con caratteristiche particolari che deve permettere il sezionamento sotto carico della continua e per questo motivo ha una costruzione particolare con una doppia camera antifiamma e prevede spesso l’utilizzo di più poli in serie per garantire la necessaria tensione di isolamento.

A protezione dell’impianto è bene inserire un fusibile in serie ad ogni stringa utilizzando un porta fusibile sezionabile. I fusibili per uso fotovoltaico utilizzati sono in formato CH10 (10x38mm) ed  hanno generalmente tensione compresa tra i 600 e 1000Vdc e corrente di 10A. E’ importante sapere che questi fusibili non devono mai essere sezionati sotto carico, ossia quando l’inverter sta erogando in rete, poiché causano il formarsi di un pericoloso arco elettrico e la loro conseguente distruzione.

1.4.3       Scaricatori di tensione

Gli scaricatori di sovratensione, SPD (Surge Protection Device) sono dispositivi di protezione contro le extra-tensioni che generalmente vengono a crearsi in presenza di fulmini che cadono nei pressi dell’impianto. Sono dispositivi che espletano la loro funzione in maniera distruttiva subendo danni irrimediabili e per questo motivo sono formati da un corpo principale nel quale sono alloggiate le cartucce di protezione che possono essere sostituite in caso di intervento.

Gli SPD hanno caratteristiche diverse a seconda che siano stati progettati per l’uso dal lato alternato o continuo ma sono accomunati dal fatto di dover essere collegati in maniera opportuna all’impianto di terra per svolgere in maniera corretta il loro compito. La maggior parte degli SPD in commercio presentano una segnalazione colorata su ogni cartuccia dalla quale è possibile evincere se la protezione è scattata o meno e  la possibilità di essere collegati a sistemi di supervisione o monitoraggio poiché sono dotati di un contatto che cambia di stato in caso di intervento.

Sebbene molti produttori di inverter affermano di inserire tali protezioni all’interno dei loro prodotti, in realtà predispongono solamente, il più delle volte,  semplici varistori che risultano molto meno efficaci.

Per una corretta protezione dell’impianto fotovoltaico è necessario posizionare il più vicino possibile ai pannelli un SPD di classe 2, mettendolo per esempio nel quadro di stringa. Se l’inverter dista dai quadri stringa oltre 10 metri è necessario installare un secondo SPD, sempre di classe 2, in prossimità dell’inverter sul lato DC.

A valle dell’inverter, lato AC, è necessario installare uno scaricatore di sovratensione in classe 2 AC idoneo al proprio tipo di impianto (monofase/trifase).

 

1.5       Inverter

Assieme ai pannelli fotovoltaici, l’inverter è il componente più importante dell’impianto ed il suo compito è trasformare la corrente continua fornita dai moduli in corrente alternata in fase con la rete per poterne immettere la parte eccedente.

Gli inverter per uso fotovoltaico denominati “Grid-connected” in quanto previsti per l’allaccio alla rete elettrica, sono composti da una serie di stadi e spesso sono realizzati in maniera modulare.

Il primo stadio è generalmente composto da sezionatori e protezioni contro le sovratensioni. Segue poi lo stadio MPPT, acronimo di “Maximum Power Point Tracker”, che in alcuni inverter è multiplo (2/3) e che consiste in un circuito che permette di ottenere la massima potenza possibile dai pannelli seguendone la curva caratteristica V/I.

Avere più MPPT a disposizione permette maggior flessibilità in fase progettuale nella definizione delle stringhe e del numero di pannelli utilizzabili. Vanno però analizzate le caratteristiche elettriche di questi ingressi in quanto possono sopportare potenze diverse a seconda dei modelli e dei vari produttori. Nel caso di inverter con singolo Mppt è logico che questi supporti la potenza nominale della macchina. Quando gli Mppt sono più di uno invece, va controllata la potenza dei singolo canale di ingresso Mppt. Non è detto infatti che nel caso di inverter con doppio Mppt ogni ingresso supporti metà potenza nominale della macchina. Se infatti l’inverter SG10KTL di Sungrow, dotato di due Mppt, ha una potenza di 5kW per canale, pari alla metà della potenza nominale della macchina, l’inverter SM13MT2 della SolarMax, dotato di ben 3 Mppt, ha ben 9kW per ogni singolo canale. Questo permette di configurare in maniera differente i pannelli non costringendo il progettista a bilanciare in maniera uguale il numero di pannelli tra gli ingressi disponibili per ottenere la massima potenza dall’inverter.

Il cuore dell’inverter è rappresentato dalla sua scheda di controllo basata nella maggior parte dei casi su un DSP (Digital Signal Processing) spesso coadiuvato da un microcontrollore per la gestione dell’interfaccia utente e della comunicazione. Il Dsp ha al suo interno tutte le periferiche necessarie per gestire a livello hardware gran parte delle funzioni e dei calcoli richiesti nella gestione di un inverter ed è connesso ad una serie di sensori che permettono di rilevare tutti i parametri della rete elettrica e del campo fotovoltaico, regolando di conseguenza le PWM che controllano gli IBGT o i Mosfet dello stadio di potenza.

Per quanto complessi possano essere i calcoli e gli algoritmi che regolano un inverter, il suo funzionamento logico è alquanto semplice e può essere riassunto dai seguenti passi:

  • quando al mattino la potenza del campo fotovoltaico è sufficiente, l’inverter si accende (generalmente >3W) ed inizia ad analizzare tutti i parametri funzionali ricavati dai vari sensori di tensione, corrente temperatura di protezione;
  • nel caso vi siano tutte le condizioni per erogare energia, l’inverter si attiva cercando di erogare tensione per verificare che il campo oltre che ad avere tensione riesca ad erogare anche una corrente adeguata. Infatti la tensione ai capi dei pannelli tende a salire anche con luce diffusa ma è necessario irraggiamento a far si che ci sia corrente e quindi potenza. In questa fase l’inverter eroga con fase e tensione identica a quella della rete. Se la corrente non fosse sufficiente per erogare in rete, l’inverter attenderà qualche minuto per ritentare subito dopo.
  • Nel momento in cui il campo ha potenza per sostenere l’erogazione l’inverter inizia ad aumentare in maniera graduale la tensione di uscita. Questa non potendo naturalmente salire in quanto legata alla rete elettrica ed al suo elevato carico, permette all’inverter di immettere corrente in rete. L’aumento della tensione di uscita e la potenza corrente immessa in rete è direttamente proporzionale al comportamento dei valori di corrente e tensione derivanti dal campo fotovoltaico. Se la tensione tende a scendere eccessivamente, l’inverter automaticamente diminuirà la potenza erogata in rete. Questo tipo di controllo deve essere costante ma avere anche determinati tempi di reazione legati a precisi algoritmi altrimenti il sistema rischia di diventare instabile.

La maggioranza degli inverter in commercio si alimentano direttamente dal campo fotovoltaico ed hanno un consumo in stand-by inferiore ad 1W ed un autoconsumo notturno pari a zero. A differenza degli inverter progettati per lavorare in isola, staccati quindi dalla rete elettrica, gli inverter grid-connected sono dotati di dispositivi tali da non erogare in caso di mancanza della rete elettrica, come previsto dalla normativa DK5940.

Molti inverter sono dotati di serie, o come optional, di sezionatore sul lato Dc il quale permette di non inserirne uno esterno nel caso i pannelli non risultino essere eccessivamente distanti.

Per la connessione delle stringhe quasi tutti adottano coppie di connettori Multicontact (MC4) e ne installano almeno 2 per ogni Mppt. In questo modo, se si desiderano utilizzare le sole protezioni inserite dal produttore all’interno dell’inverter e quest’ultimo è dotato di serie di sezionatore lato Dc, è possibile evitare l’installazione di quadro Dc. Questa soluzione è però conveniente, accertandone le caratteristiche tecniche, solo con impianti di piccola taglia che prevedono una sola stringa in quanto nel caso di due stringhe si raddoppierebbe il cavo fotovoltaico dovendo realizzare due discese mentre utilizzando un quadro di parallelo, posto vicino ai moduli, si realizza una discesa singola con la possibilità di inserire uno scaricatore di sovratensione nei pressi dei pannelli garantendo maggiore sicurezza all’installazione.

 

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7 Comments

  1. delfino_curioso delfino_curioso 7 maggio 2013
  2. Giorgio B. Giorgio B. 7 maggio 2013
  3. ferfabry76 7 maggio 2013
  4. Antonello Antonello 8 maggio 2013
  5. Grunf 30 maggio 2013
  6. ferfabry76 30 maggio 2013
  7. Grunf 30 maggio 2013

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