Rubrica: Casi di studio – Case studies
Titolo o argomento: Monitoraggio e analisi delle prestazioni di un mini impianto fotovoltaico ad isola in condizioni tecniche e atmosferiche sfavorevoli
Introduzione alla prova
Obiettivi della prova
Monitoraggio e analisi delle prestazioni di un pannello fotovoltaico (mini impianto ad isola di autoconsumo dotato di accumulo dell’energia per uso notturno) sottoposto a condizioni tecniche e atmosferiche sfavorevoli durante i mesi di Dicembre, Gennaio e Febbraio. Confronto tra le ore di luce giornaliera e le ore di luce effettivamente sfruttabili dal pannello in severe condizioni: cielo nuvoloso, pioggia, grandine, neve, barriere geometriche, architettoniche e/o naturali. Test di metodi economicamente convenienti per l’incremento della resa.
Periodo della prova
La prova si svolgerà in due fasi. Lungo l’intero mese di Dicembre 2012 verranno effettuate diverse prove introduttive atte a determinare i punti su cui approfondire maggiormente. La seconda fase si svolge lungo il mese di Gennaio 2013 con lo scopo di soddisfare eventuali curiosità tecniche emerse nel mese precedente.
Luogo della prova
La prova si svolge nel centro Italia e più precisamente ad Ancona in una situazione climatica intermedia tra il nord ed il sud.
Caratteristiche della prova
La prova si svolge volutamente sotto condizioni nettamente sfavorevoli per un impianto fotovoltaico (o singolo modulo) di qualunque dimensione esso sia. Il modulo in questione viene installato su un supporto mobile economico (bancale in legno resistente alle intemperie) al fine di testare diverse posizioni sfavorevoli condizionate da barriere architettoniche e/o naturali, nonché differenti inclinazioni e rotazioni rispetto all’asse del sole. Si vuole capire, quindi, cosa accade quando si installa un impianto (anche mini) in una zona fortemente vincolata e caratterizzata da ombra quasi costante, indotta ad esempio da edifici vicini, alberi, ombre proiettate da tendaggi inamovibili, ecc. , alternata a brevi intervalli di esposizione alla luce diretta. Le prime analisi vengono effettuate senza dispositivi di inseguimento solare e/o dispositivi di concentrazione solare, in un periodo dell’anno scarsamente soleggiato con costante presenza di nubi, piogge e rischio neve. La prova prevede la registrazione di dati relativi alle caratteristiche della corrente e tensione prodotte (nonché potenza fornita ed energia accumulata), alle ore realmente utili del giorno in cui è stato possibile produrre valori anche minimi di energia, alle caratteristiche meteorologiche ed alle caratteristiche geometriche (posizionamento pannello, inclinazione e orientamento rispetto al sole).
Utilità della prova
I dati ricavati possono ritenersi utili soprattutto per coloro che amano soluzioni DIY (Do It Yourself – Fai da Te) e desiderano realizzare piccoli impianti adibiti alla produzione ed all’accumulo dell’energia per semplici applicazioni come ad esempio la ventilazione di un locale, il mantenimento della carica di batterie di avviamento o di servizio di normali veicoli, veicoli ricreazionali o veicoli speciali, l’alimentazione (anche tramite inverter 12 – 220 Volt) di impianti di illuminazione o semplici luci di cortesia (condominiali o di sicurezza) utili ad evitare zone buie fuori casa, la ricarica di computer portatili, cellulari, smartphone, mp3, tablet, fotocamere, batterie stilo ricaricabili, batterie tampone, ecc. Si considera inoltre di studiare soluzioni tecniche per ottenere benefici che incrementino moderatamente le prestazioni dell’impianto, la sua praticità e la sua convenienza in particolar modo nei mesi invernali.
Livello di difficoltà
In una scala che va da 1 a 4 il livello di difficoltà attribuito è 2. Vedi la sezione specifica “Casi di studio” di questo blog.
Impianto
Funzionalità dell’impianto
L’impianto non è collegato alla rete, esso si autosostenta e provvede a storare energia in un accumulatore elettrochimico al piombo acido 12 Volt – 50Ah. Tale accumulatore alimenta un kit di ventole adibite all’aerazione continuativa di un locale ad uso garage nel quale sono presenti gas e vapori provenienti rispettivamente da motori a combustione e relativi serbatoi di normali veicoli 2 e 4 tempi, benzina e diesel che in esso sostano.
Pannello fotovoltaico
Pannello fotovoltaico ad elevato standard qualitativo costruito in Italia con componentistica selezionata di origine italiana e/o tedesca, 36 celle in silicio monocristallino, potenza di picco 60wp, rendimento compreso in un intorno del 18% (stimato: 18,16% con irraggiamento pari a 1000w/m2 e temperatura ambiente pari a 25°C). Le celle sono protette verso l’esterno da un vetro temprato ad altissima trasparenza e da un foglio di Tedlar, il tutto è incapsulato sottovuoto ad alta temperatura tra due fogli di Ethylene Vinyl Acetate ed una robusta cornice in alluminio anodizzato. Il vetro temprato da 4 mm è resistente all’impatto con la grandine da 25 mm fino ad una velocità massima del chicco pari a 23 m/s. Il pannello è prodotto in stabilimenti certificati ISO 9001.
Specifiche
Potenza di picco: 60 Wp
Numero ci celle: 36
Corrente in corto circuito ISC (AMP): 3,58.
Tensione a circuito aperto (VOC): 21,69.
Tensione al punto di massima potenza (VMP): 18,86.
Corrente al punto di massima potenza (IMP): 3,15.
Indice di tolleranza: +/- 5%.
Massa: 6 kg.
Regolatore di carica
Regolatore di carica dal costo contenuto per il collegamento di uno o due pannelli ad una o più batterie al piombo gel o al piombo acido (collegate in parallelo). Regolatore caratterizzato da basse temperature di funzionamento del circuito con ripercussioni positive in termini di affidabilità.
Specifiche
Tensione batteria: 12 Volt.
Tensione massima (V): 14,3 (Pb – Gel) oppure 14,1 (Pb – Acido).
Controllo in serie con mosfet.
Blocco della corrente inversa con mosfet.
Potenza Max applicabile: 240 Watt.
Protezione contro il cortocircuito.
Protezione contro l’inversione di polarità.
Fusibile di protezione interno: 20A.
Predisposizione per collegamento di due moduli.
Possibilità di collegare una batteria di avviamento e una di servizio con parallelatore.
Display di monitoraggio
Specifiche
Indicazione tensione batteria.
Indicazione corrente di carica.
Indicazione potenza prodotta dal pannello fotovoltaico.
Indicazione ampereora.
Indicazione ore di luce giornaliere.
Multimetro
Per la visualizzazione dei parametri elettrici di impianto in ogni punto di connessione dell’impianto stesso.
Datalogger
Dedicato alla registrazione continua dei dati di impianto mediante collegamento USB all’elaboratore.
Accumulatore elettrochimico al piombo acido
Specifiche
Batteria specifica per avviamento motori a c.i.
Tensione nominale media: 12 Volt.
Tensione effettiva a piena carica: 13,9 Volt.
Capacità: 50 Ah.
Carico tipo 1: Ventole
Utenza (o carico) costituita da ventole per aerazione locale garage mediante appositi convogliatori, raccordi e supporti.
Specifiche
Numero ventole: variabile da 1 a 4 (1,7-6,8 Watt).
Tensione di alimentazione 12 Volt.
Potenza assorbita dalla singola ventola: 1,7 Watt.
Portata dʼaria: / m3/h.
Carico tipo 2: Lampadina 12 Volt
Utenza (o carico) costituita da una lampadina per uso automobilistico.
Specifiche
Numero lampadine: 1.
Tipo: Alogena.
Tensione: 12 Volt.
Potenza: 55/60 Watt.
Carico tipo 3: Lampada 220 Volt
Utenza (o carico) costituita da una lampada per uso domestico.
Specifiche
Numero lampadine: variabile da 1 a 4 (21-84 Watt).
Tipo: a risparmio energetico.
Tensione: 220 Volt.
Potenza: 21 Watt.
Carico tipo 4: Lampada LED 220 Volt
Utenza (o carico) costituita da una lampada per uso domestico.
Specifiche A
Numero lampadine: variabile da 1 a 8 (8-64 Watt).
Tipo: a LED.
Tensione: 220 Volt.
Potenza assorbita: 8 Watt (resa luminosa analoga a lampadina tradizionale 40 Watt).
Specifiche B
Numero lampadine: variabile da 1 a 8 (12-96 Watt).
Tipo: a LED.
Tensione: 220 Volt.
Potenza assorbita: 12 Watt (resa luminosa analoga a lampadina tradizionale 70 Watt).
Inverter
Specifiche
Tipo: a onda quadra.
Tensione dʼingresso: 12 Volt DC (11-15 Volt).
Tensione dʼuscita: 230 Volt AC.
Assorbimento a vuoto: <0,8A.
Potenza continua: 100 Watt.
Raffreddamento: mediante ventola.
Efficienza fino a: 90%.
Cavi pannello
Destinati al collegamento del pannello fotovoltaico al regolatore di carica.
Specifiche
Sezione: 6 mmq.
Corrente Max: 8A.
AWG (American Wire Gauge): 10.
Coibentamento 85°C.
Materiale elettrico di impianto
Cavi, prese, spine, scatole di derivazione, ecc.
Specifiche
Tenuta stagna.
Connessioni assicurate da bloccaggi di sicurezza e OR ad alta tenuta.
Adatto per installazioni allʼaperto o su veicoli ricreazionali e speciali.
Dati
Condizioni della prova: esempio di dati meteo osservati
Data
Il sole sorge alle ore
Il sole tramonta alle ore
Durata del giorno: ore (minuti)
Cielo: condizioni
Temperatura: °C
Umidità: %
Pressione: hPa
Precipitazioni: pioggia, grandine, nevischio, neve
Vento: nodi
Radiazione solare: ≤4MJ/m2
Condizioni della prova: esempio di barriere geometriche, architettoniche e/o naturali
Posizionamento pannello in prossimità ombra albero.
Posizionamento pannello in prossimità tendaggio inamovibile.
Posizionamento pannello in zona soleggiata.
Posizionamento pannello in modalità fissa.
Posizionamento pannello in modalità inseguimento (rotazione + inclinazione).
Condizioni della prova: esempio di dati d’impianto
Il mini impianto (pannello fotovoltaico monocristallino 60Wp + regolatore di carica) alimenta: un accumulatore elettrochimico al piombo acido 12V-50Ah. Alla batteria sono collegate 4 ventole 12V-1,7W o, in alternativa, 1 lampadina alogena (tipo automobilistico) 12V-60W o, ancora, una lampada (tipo domestico) a risparmio energetico 220V-21W tramite inverter ad onda quadra 12V-220V per utenze fino a 100 Watt.
Tensione effettiva della batteria carica a riposo: 13,9 Volt.
Tensione minima limite della prova: 11,8-12,0 Volt.
Tensione minima assoluta (rischio danni batteria): 10,8 Volt.
Condizioni della prova: esempio di dati ricavati
Ore di luce giornaliera utili alla produzione di energia elettrica.
Inizio produzione valori di energia rilevabili (sopra 1 Watt) alle ore: /
Potenza massima prodotta dal pannello: /
Potenza minima prodotta dal pannello: /
Amperora (capacità): /
Corrente massima: /
Curva di carica batteria 12V-50Ah da 12V a 13,9V con caricatore lento.
Curva di carica batteria 12V-50Ah da 12V a 13,9V con caricatore rapido.
Curva di carica batteria 12V-50Ah da 12V a 13,9V con fotovoltaico (giornata serena).
Curva di carica batteria 12V-50Ah da 12V a 13,9V con fotovoltaico (giornata serena/nubi).
Curva di carica batteria 12V-50Ah da 12V a 13,9V con fotovoltaico (giornata coperta).
Curva di carica batteria 12V-50Ah da 12V a 13,9V con fotovoltaico (giornata di pioggia).
Curva di carica batteria 12V-50Ah da 12V a 13,9V con fotovoltaico (giornata di neve).
Curva di scarica batteria 12V-50Ah in 8 ore alimentando 1 ventola 12V-1,7W.
Curva di scarica batteria 12V-50Ah in 8 ore alimentando 2 ventole 12V-1,7W.
Curva di scarica batteria 12V-50Ah in 8 ore alimentando 3 ventole 12V-1,7W.
Curva di scarica batteria 12V-50Ah in 8 ore alimentando 4 ventole 12V-1,7W.
Curva di scarica batteria 12V-50Ah in 1 ora alimentando 1 lampadina 12V-60W.
Curva di scarica batteria 12V-50Ah in 1 ora alimentando 1 lampadina 220V-21W.
Curva variazione tensione pannello in relazione allʼinclinazione.
Curva variazione corrente pannello in relazione allʼinclinazione.
Curva variazione tensione pannello in relazione alla rotazione.
Curva variazione corrente pannello in relazione alla rotazione.
Curva variazione Tensione pannello con Ombreggiamento parziale.
Curva variazione Corrente pannello con Ombreggiamento parziale.
Es. Curva variazione Tensione pannello con Nubi e Inseguimento.
Es. Curva variazione Corrente pannello con Nubi e Inseguimento.
Curva di carica batteria da 12V a 13,9V con giornata serena +1 Ventola.
Curva di carica batteria da 12V a 13,9V con giornata mista serena/nubi +1 Ventola.
Curva di carica batteria 12V-50Ah da 12V a 13,9V con giornata coperta +1 Ventola.
Variazioni tangibili prestazioni con o senza inseguimento.
Variazioni tangibili prestazioni in relazione allʼinclinazione del pannello (di gradi: /).
Variazioni tangibili prestazioni in relazione alla rotazione del pannello (di gradi: /).
Variazioni tangibili prestazioni in relazione alla posizione rispetto alle barriere.
I dati di carica e scarica sono stati rilevati con e senza l’ausilio del pannello fotovoltaico al fine di effettuare un confronto e compararne gli effetti. Tali dati sono disponibili nelle tabelle e grafici riportati più avanti in questo caso di studio.
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