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Gli impianti fotovoltaici (Fv) per la produzione di energia da fonte solare, destinati ad essere collegati alla rete generale di distribuzione, sono oggetto dì recenti incentivazioni di carattere economico. In ambito europeo il VII programma quadro dell' UE finanzierà, dal 2007 al 2013, un'elevata percentuale delle ricerche effettuate nel settore dell'energia. A livello italiano il nuovo decreto Dm 06/02/2006, che amplia ed integra il precedente Dm 28/07/2005, ha creato le condizioni per una crescita tangibile dell'energia prodotta. Ciò ha reso urgente e necessario disciplinare il contesto mediante un insieme di norme con lo scopo di rendere il più possibile omogenee le fasi di progettazione, installazione, verifica e manutenzione di questa tipologia di impianti. Dell'attuale stato dell'arte nel campo del Fv si è fattivamente discusso durante il seminario organizzato dal CEI "La realizzazione dei sistemi di generazione fotovoltaici collegati alle reti elettriche di Mt e Bt" tenutosi a Milano lo scorso 29 Giugno. Nell'occasione è stata presentata la nuova guida CEI 82-25.
IL QUADRO NORMATIVO
I sistemi fotovoltaici di conversione dell'energia sono disciplinati dalle norme emanate dal TC 82 presente sia in ambito Iec (dal 1982) sia in ambito Cenelec (dal 1995) sia in ambito CEI (dal 1982). Il Ct 82 ha lo scopo di redigere norme riguardanti la costruzione, le prescrizioni, le prove e la sicurezza di sistemi e componenti per la conversione fotovoltaica dell'energia solare, Il tutto a partire dalle celle solari fino all'interfaccia con il sistema elettrico cui viene fornita energia. Allo stato attuale esistono 37 norme e guide a livello Iec, 28 a livello Cenelec queste ultime tutte recepite in Italia dal CEI. I citati sistemi, impianti elettrici completi a tutti gli effetti, coinvolgono tuttavia una gamma molto ampia di problematiche tant’è che le fasi di progettazione, installazione, verifica e manutenzione attingono ad un vasto ed eterogeneo insieme di riferimenti che si estendono ben oltre il Ct 82 e la specificità dei componenti fotovoltaici. Conseguenza di ciò è che le norme applicabili sono a volte difficili da individuare. Ad esempio, nell'affrontare il progetto e l'installazione di un sistema Fv è strettamente necessaria la consultazione delle norme della serie CEI En 62305 (CEI 81-10) inerenti la protezione contro i fulmini (che hanno da poco sostituito le norme CEI 81-1, CEI 81-4 e CEI 81-8, quest'ultima comunque in vigore fino al 01.02.2007). In particolare:
CEI En 62305-1 (CEI 81-10/1): Principi generali
CEI En 62305-2 (CEI 81-10/2): Valutazione del rischio
CEI En 62305-3 (CEI 81-10/3):
Danno materiale alle strutture e pericolo per le persone - CEI En 62305-4 (CEI 81-10/4): Im pianti elettrici ed elettronici nelle strutture. La situazione è tuttavia in continua, rapida evoluzione: in ambito Cenelec nuove norme En andranno a breve a sostituire alcune norme nazionali attualmente utilizzate. Ad esempio si prevede a breve la sostituzione della CEI 11-20 e della CEI 11-1. Inoltre risulta attualmente allo studio un progetto di norma indicato come C931 riguardante la sezione 712 della attuale CEI 64-8. |
LA GUIDA CEI 82-25
Nel quadro normativo inerente gli impianti Fv spicca la nuova guida CEI 82-25 dal titolo " Guida alla realizzazione dei sistemi di generazione fotovoltaica collegati alle reti elettriche di media e bassa tensione ". Per la numerosità degli argomenti trattati la guida rappresenta un utile riferimento indirizzato a progettisti ed installatori che operano nel settore. Lo scopo è quello di fornire i criteri per la progettazione, l'installazione e la verifica di sistemi fotovoltaici destinati ad operare in parallelo alla rete di distribuzione di MT e di BT Particolare spazio è stato dedicato ai criteri di progettazione, alla documentazione di progetto, alla sicurezza dell'installazione ed ai collaudi. Nello specifico, il livello individuato per la documentazione è tale da definire ogni particolare impiantistico, mentre le prove di verifica indicate sono tese ad assicurare il rispetto dei requisiti di sicurezza e funzionalità previsti dal progetto. Sono fornite inoltre indicazioni per il dimensionamento energetico e strutturale del generatore Fv, per la scelta della configurazione e della tensione di lavoro del sistema di generazione, nonché i criteri per l'individuazione dei principali componenti dell'impianto. Corredano la guida tre allegati: i primi due, particolarmente utili, sono inerenti le leggi, le delibere e le norme per il progetto elettrico e meccanico degli impianti. Il terzo contiene alcuni cenni generali sulla risorsa elettrica fotovoltaica. La guida si applica agli impianti fotovoltaici fissi caratterizzati da una potenza maggiore di 0,75 kW. Non si applica agli impianti ad inseguimento solare o a concentrazione, ad impianti isolati dalla rete di distribuzione e ad impianti di produzione trasportabili. Nel seguito una breve presentazione dei principali argomenti discussi.
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LE GUIDE CEI
È bene sottolineare che le guide CEI non costituiscono documenti normativi ufficiali (non essendo sottoposte ad inchiesta pubblica), ma sono destinate ad un pubblico più vasto e meno esperto rispetto a quello al quale sono usualmente indirizzate le più rigorose norme tecniche. Sono redatte a beneficio di tutti coloro che nutrono dubbi ed incertezze sui vari temi disciplinati dall'attività normativa e per questo appaiono spesso caratterizzate da uno stile meno formale, più snello, nonché da una veste grafica maggiormente accattivante e fantasiosa.
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ARCHITETTURA DI UN SISTEMA FV
Ogni sistema di generazione Fv inizia con una sezione di conversione dell'energia solare in energia elettrica (generatore fotovoltaico) costituita dall'insieme dei moduli di captazione. Questi operano una conversione diretta dell'energia elettromagnetica irradiata dal sole incidente su di essi, in energia potenziale elettrica presentando ai propri morsetti una differenza di potenziale costante nel tempo. Alla necessaria conversione di quest'ultima nella tradizionale forma alternata sinusoidale provvede un apposito convertitore ac/dc (inverter) dalle caratteristiche opportune. A questo fa seguito una catena di distribuzione, sezionamento e misura dell'energia generata che deve essere concepita anche allo scopo di permettere la connessione dell'impianto generatore alla rete generale di distribuzione. Corredano il tutto opportuni dispositivi di protezione con relativi organi di interruzione e sezionamento. Il progetto, la realizzazione e le verifiche di una simile architettura coinvolgono una serie non indifferente di tematiche.
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PROBLEMATICHE DI BASE
Riceviamo quotidianamente dal sole una quantità di energia pari a migliaia di volte quella che consumiamo ma la sua conversione, dalla forma radiata a quella elettrica, è dominata da tre semplici quanto fondamentali considerazioni:
l'energia ricevuta dal sole è a bassa densità superficiale e richiede quindi ampie superfici per essere captata in quantità sufficienti alla maggior parte degli scopi pratici;
essa presenta discontinuità spaziali tra zone diverse del pianeta; per una fissata zona presenta, inoltre, discontinuità temporali nell'arco delle stagioni e, per una fissata stagione, nell'arco delle 24 ore; 3) i moduli di conversione ad oggi disponibili presentano efficienza dell'ordine del 15%. L'oggettività di tali considerazioni genera un ampio ventaglio di questioni preliminari da affrontare. Innanzitutto la scarsa efficienza di conversione degli attuali moduli, unita alla bassa densità con cui l'energia radiata è disponibile, rende necessario l'impiego di ampie superfici di incidenza. Ciò può porre difficoltà in termini di spazio fruibile dal generatore e di dimensionamento meccanico dello stesso. Le discontinuità spaziali e temporali della risorsa rendono inoltre necessarie attente analisi inerenti l'ubicazione dell'impianto, la disponibilità ivi della fonte solare, l'analisi delle ombreggiature e degli "sporcamen-ti" da ostacoli, l'impiego o meno dei costosi sistemi ad inseguimento. Non da ultimo rammortamento dell'impianto. Solo dopo aver affrontato tali argomentazioni (assimilabili, se si vuole, ad un preventivo studio di fattibilità) è possibile inoltrarsi nel progetto preliminare.
VALUTAZIONI PRELIMINARI
In primo luogo occorre identificare l'ubicazione del sito in termini di coordinate geografiche (latitudine e longitudine) dalle quali è necessario risalire ai dati climatici (in particolare all'irraggiamento in kW/m2). Allo scopo è possibile consultare le tabelle Uni 10349 o Uni 8477 oppure altri atlanti della radiazione solare. I dati di irraggiamento sono sempre riferiti al suolo orizzontale e devono quindi essere convertiti in funzione dell'inclinazione data ai moduli. Posizione ed orientamento di questi devono essere accuratamente stabiliti con lo scopo di massimizzare l'energia captata ed a tal fine è indispensabile determinare l'esposizione dell'edificio. Devono essere in particolare valutati gli ombreggiamenti (in termini di curva solare) e gli ostacoli presenti sull'orizzonte (in termini di diagramma delle ombre). Anche la disposizione dei moduli (inclinazione e distanza tra file adiacenti), risulta essenziale per evitare ombre reciproche. Il risultato finale sarà la geometria di disposizione (distanza tra file adiacenti) ed il puntamento dei moduli (Azimut ed elevazione). |
IL GENERATORE FV
Il generatore fotovoltaico, punto d'inizio dell'impianto, è formato dall'insieme di più moduli ognuno dei quali contiene al proprio interno un certo numero di celle opportunamente collegate tra esse. Ultimamente la tendenza è quella di aumentare le dimensioni della cella il cui lato era, fino a qualche tempo fa, di 5 pollici (da non molto è stata superata la cosiddetta barriera del sesto pollice). I progressi sono valutati mediante il rendimento di conversione della cella ma anche in termini di peso per ogni Watt di potenza prodotta. I singoli moduli sono collegati in serie a formare stringhe. Le stringhe vengono poi poste in parallelo. Il numero di moduli costituenti una stringa determina la tensione dc che il generatore deve produrre. Il numero di stringhe in parallelo fissa invece la potenza che sarà disponibile al generatore Fv. Una volta stabilito il numero di stringhe ed il numero di moduli per stringa (dimensionamento del generatore), è necessario valutare l'influenza sul sistema del guasto di una singola cella, modulo o stringa. La tecnologia mette attualmente a disposizione tre distinte tipologie di moduli: in silicio cristallino, in silicio amorfo, a
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| film sottile. I moduli in silicio devono essere conformi alle prescrizioni delle norme En 61215, mentre per quelli a film sottile il riferimento è la En 61646. In entrambi i casi è richiesta classe di isolamento II e grado di protezione IP65. Nella scelta delle celle occorre valutare attentamente il decadimento nel tempo delle caratteristiche. I dati di targa devono essere espressi in conformità alla En 50380. Le caratteristiche di risposta delle celle (prestazioni) devono essere valutate in condizioni standard di laboratorio in ottemperanza alle indicazioni delle norme della serie En 60904. È previsto ad esempio che la cella venga sottoposta ad una densità di potenza pari a 1000 W/m2 a mezzo di una sorgente di riferimento avente assegnato spettro di emissione; la temperatura della cella deve essere di 25 °C (la potenza generata diminuisce infatti all'aumentare della temperatura: a grandi linee tale diminuzione può essere stimata nel 4% per ogni 10 °C di aumento della temperatura). |
IL CONVERTITORE DC/AC
Il secondo anello della catena è rappresentato dal convertitore dc/ac, altrimenti detto inverter, necessario per convertire in forma sinusoidale a ; 50 Hz la tensione continua prodotta : dal generatore. Nelle architetture dei moderni impianti Fv è possibile distinguere inverter di stringa (o frazionati) ed inverter centrali. I primi permettono di filtrare eventuali differenze tra le tensioni prodotte dalle singole stringhe (tensioni di stringa diverse possono causare ricircoli indesiderati di corrente). Occorre tenere presente che all'inverter è presentato un carico variabile nel tempo il quale fa sì che esso non funzioni mai a pieno carico e che quindi anche il rendimento sia variabile. Un buon criterio di scelta è quello di dimensionare l'inverter per un rendimento che risulti maggiore del 90% in tutte le condizioni di carico superiori al 40% della potenza massima. I modelli più sofisticati sono dotati di sistemi di inseguimento della massima potenza (noti come Mppt: Maximum Power Point Tracking) in grado di adattarsi in maniera ottimale alle variazioni dei parametri elettrici della cella conseguenti alle variazioni dell'irraggiamento solare, massimizzando in tal modo la potenza estratta. In sede di progetto è necessario scegliere un inverter (mono o trifase) congruente alla potenza disponibile nonché in grado di accettare in ingresso le variazioni della tensione fornita dai moduli (dovute a variazioni di irraggiamento e temperatura). In ogni caso l'inverter deve soddisfare le prescrizioni delle norme ad esso applicabili armonizzate sotto le direttive europee Emc (compatibilità elettromagnetica) e bassa tensione (sicurezza elettrica).
PROGETTO MECCANICO
L'impianto può essere integrato, ossia facente parte della struttura dell'edificio, oppure no (appoggiato su copertura o a terra). Il progetto meccanico concerne la scelta ed il dimensionamento della struttura di sostegno dei moduli solari (fissa o ad inseguimento). Fondamentale è in questo contesto l'analisi dei carichi permanenti (peso dei moduli, peso della struttura, zavorre) e dei sovraccarichi transitori dovuti all'accumulo di neve o al vento. Qualora sia prevista una struttura integrata nell'architettura dell'edificio il progetto meccanico può fondersi con considerazioni di natura architettonica.
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