Appunti di Energie Rinnovabili in Agricoltura prof. Pantaleo

ESERCIZI SUL FOTOVOLTAICO

1) Considerando dei moduli fotovoltaici, ognuno dei quali con tensione a circuito aperto V = 22,55 V, tensione

OC

di picco V = 17,82 V e corrente di corto circuito I = 10,46 A, ipotizzando di collegarli in serie, quanti moduli

P SC

potranno essere utilizzati per non superare la tensione massima del sistema V = 600 V?

MAX

Il numero di moduli sarà dato dal rapporto fra la tensione massima del sistema V e la tensione a circuito aperto V .

MAX OC

V 600

MAX

N° massimo moduli = = = 26,60

V 22,55

OC

Per garantire di ottenere una tensione massima del sistema inferiore a 600 V, si considera la tensione a circuito aperto

utilizzando quest’ultimo valore,

(V = 22,55) e non la tensione a massima potenza (V = 17,82) perché, otterremmo un

OC P

numero di moduli troppo alto che, nel caso di circuito aperto (22,55 V a modulo, e ciò nella pratica potrebbe succedere),

porterebbe a sforare il valore massimo ammissibile di tensione del sistema (perché col collegamento in serie vanno

sommate le tensioni). Per lo stesso motivo, il risultato può essere approssimato a 25 moduli, in modo da avere un

ulteriore margine di sicurezza. 24

2) Considerando dei moduli con potenza unitaria di picco P = 180 Wp, con V , V e I come nel precedente

U OC P SC

esercizio, quanti ne serviranno per avere un impianto di potenza P = 3,6 KWp = 3600 Wp? In che modo sarà

TOT

più opportuno collegarli? P 3600

TOT

N° di moduli = = = 20 moduli

P 180

U

Facendo un collegamento in serie di questi 20 moduli, la tensione finale del sistema sarà uguale alla somma delle

tensioni di ogni singolo modulo (Vi). Prendendo come tensione di ogni singolo modulo, quella a circuito aperto (V =

OC

2,55 V) avremo: V = 20·V = 20·22,55 = 451 V

TOT OC

La I (corrente di corto circuito), in questo caso resta la stessa, quindi 10,46 A.

SC

Vantaggio del collegamento in serie: alzando la tensione, a parità di potenza, si può mantenere la corrente bassa

costante), e quindi si limitano le dissipazioni per effetto Joule; infatti, all’aumentare della corrente in un

(perché resta

circuito, aumentano le perdite di energia sotto forma di calore per effetto Joule. L’energia persa per effetto Joule è pari a

2

R·I , dove R è la resistenza del materiale conduttore e I è la corrente; più è la corrente, più sono le perdite. La

resistenza del materiale dipende da lunghezza e sezione dei cavi; maggiore è la sezione, più bassa è la resistenza e

viceversa.

Facendo un collegamento in parallelo V sarebbe costante e pari alla V = 22,55. La I , sarà invece pari alla

TOT OC TOT

somma delle correnti di ogni singolo modulo.

I = 20·I = 20·10,46 = 209,2 A

TOT SC

Nella pratica è opportuno realizzare un collegamento misto. Si andranno a costituire due blocchi collegati in parallelo,

ognuno dei quali formato da 10 moduli collegati in serie. In questo modo avremo che:

- il valore di corrente finale sarà dato dalla somma delle correnti che circolano in ciascuno dei blocchi, quindi

I = 10,46 + 10,46 = 20,92 A;

TOT

- il livello di tensione sarà dato dalla tensione di ogni singolo modulo moltiplicata per 10, quindi

V = 22,55·10 = 225,5 V.

TOT

Per il dimensionamento dell’impianto fotovoltaico, oltre i calcoli appena visti, va considerata la superficie che sarà

occupata dall’impianto stesso. È semplice calcolare l’area di un modulo (altezza per larghezza) ottenendo un valore in

2

m . Moltiplicando questa per il numero dei moduli si ottiene la superficie captante. Ciò, però, non è sufficiente, in quanto

la distanza fra un pannello e l’altro, l’inclinazione di essi e l’orientamento.

vanno considerate

L’inclinazione si considera rispetto al piano orizzontale e alle nostre latitudini è di 30° (agli estremi, ai poli sarebbe

completamente verticale quindi 90° e all’equatore completamente orizzontale quindi 0°).

L’orientamento è l’angolo di deviazione rispetto alla direzione ideale che è il sud. L’angolo assumerà segno

o azimut,

– se i pannelli sono orientati verso est e segno + se sono orientati verso sud.

Esiste comunque una normativa che indica esattamente la distanza fra i moduli tenendo conto delle grandezze.

FASI DI PROGETTAZIONE DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO

Le fasi di progettazione di un impianto fotovoltaico sono le seguenti:

sopralluogo dell’area verifica dell’eventuale presenza di vincoli e risoluzione degli aspetti

- interessata,

autorizzativi; compilazione di schede di sopralluogo; su base annua dall’utenza; se l’impianto produce di più,

- calcolo del fabbisogno di energia elettrica richiesta

in contratto di scambio sul posto, si può andare in saldo per 3 anni consecutivi;

- analisi della disponibilità di fonte solare in base al sito (parametri geografici e meteorologici);

- scelte tecniche, dimensionamento e progettazione, analisi costi-benefici delle diverse tecnologie;

dei costi e delle prestazioni dell’impianto. Si calcolano i costi d’investimento (fissi +

- analisi variabili). Nel

di manutenzione, sostituzione dell’inverter, pulizia dei

fotovoltaico si considerano solo i fissi, ossia quelli

moduli; si tiene conto della vita utile, del tasso di sconto (necessario per calcolare il fattore di attualizzazione)

e l’energia producibile (Kw/h prodotti ad anno), tipologia di contratto: ritiro dedicato o scambio sul posto;

- calcolo degli indici di convenienza economica, che comprendono LCE (Levelized Cost of Energy), NPV

(Net Present Value), IRR (Internal Ratio Return), PBT (Pay Back Time);

- bilancio ambientale; in funzione della base line di riferimento, ovvero, quanta CO₂ si risparmia rispetto a

se non ci fosse stato l’impianto

quella che si produrrebbe a fonte rinnovabile.

Tutti gli impianti di produzione di energia elettrica sono normati dal CEI (Comitato Elettrotecnico Italiano),

che regolamenta tutti i dettagli della realizzazione a regola d’arte nel rispetto delle norme UNI. Nel termico, il

CEI è sostituito dal CT. In Italia non è più possibile costruire impianti fotovoltaici di grandi dimensioni, se non

in aree industriali, discariche e cave e soprattutto in regime di autoproduzione. Impianti come quelli che

hanno riempito le campagne non sono irrealizzabili perché illegali sia a livello regionale che nazionale.

Le linee guida nazionali normano anche in materia di energie rinnovabili. Quindi stabiliscono per quali

strutture è necessaria una semplice CIL (Comunicazione Inizio Lavori), una DIA (Dichiarazione di Inizio

Attività) o una AUR (Autorizzazione Unica Regionale) per impianti di grandi dimensioni. 25

EOLICO

Gli impianti eolici permettono di produrre energia elettrica sfruttando il vento. Si tratta di una risorsa gratuita

e sostenibile, in quanto si tratta di una fonte inesauribile ed è una tecnologia a basso impatto ambientale

perché non si producono emissioni inquinanti. Inoltre permette la diversificazione delle fonti energetiche.

Le difficoltà derivano dall’intermittenza e dalla bassa concentrazione energetica della fonte eolica, quindi

bisogna tener conto di questo per scegliere le aree in cui realizzare gli impianti.

Il vento non è altro che un movimento di masse d’aria dovuta a differenze di temperatura fra una zona e

l’altra. La temperatura incide sulla densità dell’aria, pertanto l’aria calda tende ad essere più leggera e a

salire, viceversa quella fredda. Altri fenomeni che influenzano il vento sono la rotazione terrestre, la

radiazione solare. In base alla quantità di vento nei diversi siti, se ne definisce la ricchezza, che è

fondamentale per capire se è conveniente o meno costruire un impianto del genere.

la legge pone dei limiti alla realizzazione degli impianti eolici. Bisogna tener conto dell’eventuale

Anche

presenza di vincoli ambientali (es. se il sito ricade in aree protette, ZPS o natura 2000, zone di interesse

comunitario archeologico sottoposte a vincoli di sovraintendenza). Si fa riferimento alle linee guida nazionali

del 31 dicembre 2011 che stabiliscono le regole e i parametri da rispettare per l’inserimento nei vari siti degli

impianti eolici. Un aspetto importante da considerare è la presenza di una rete elettrica nelle vicinanze del

sito, in modo da convogliarvi l’energia; può capitare di avere un sito con caratteristiche interessanti, per

quantità di vento, ecc. ma molto distante dalla rete elettrica.

Per quanto riguarda gli incentivi, si fa riferimento al Decreto Ministeriale del 7 luglio 2012 che, oltre a definire

i finanziamenti per gli impianti a biomassa, definisce le feed-in tariff (tariffa fissa omnicomprensiva) per gli

impianti eolici fino a 1 MW di potenza elettrica; al di sopra di questa taglia, gli incentivi vengono gestiti con il

meccanismo delle aste.

C’è una classificazione degli impianti eolici in funzione della taglia:

- minieolico con potenza max di 200 KW, tuttavia solo fino a 60 KW hanno diritto alla feed-in tariff di 240

Euro per MWh (anche se ultimamente si stanno revisionando le tariffe che probabilmente verranno

ridimensionate a circa 180 Euro, se non meno);

- microeolico che non supera i 3 KW;

- eolico distribuito, fino a 1 MW di potenza, connesso alla rete in bassa o media tensione;

- macroeolico o eolico di taglia grande, con potenza superiore a 1 MW.

In Italia gli impianti eolici sono più diffusi al sud (Puglia, specialmente nella daunia; Campania; Calabria;

Sicilia); ciò per la maggior vocazione ambientale, anche se, ultimamente, con le nuove tecnologie, hanno

iniziato a costruire frequentemente impianti anche al Nord o in aree a bassa vocazionalità (Salento), con

turbine ad altezze molto elevate. 2000 ore equivalenti all’anno. Quando si parla di ore equivalenti, si

Un impianto produce per circa 1800-

intende il Capacity Factor, ossia il numero di ore di funzionamento alla potenza nominale in un anno. Un

elevato Capacity Factor, nel caso dell’eolico, indica una buona quantità di vento e che, in funzione di esso, è

stata scelta una turbina della giusta classe (le turbine si classificano in base alla resistenza al vento).

Il primo paese in Europa a realizzare l’eolico, leader fino a inizio anni 2000, è stato la Danimarca,

successivamente sorpassata dalla Spagna. Il primo produttore mondiale di energia eolica è la Cina.

Le turbine normalmente installate, ad oggi, sono di 2-2,5 MW. Volendo, si può sopperire ai limiti di

funzionamento delle turbine a terra, dovuti a vincoli di altezza massima raggiungibile dalle torri, installando

impianti eolici off-shore, in mare; qui i limiti sono di gran lunga inferiori e