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Solare fotovoltaico

Il dimensionamento ottimale

Criteri per il dimensionamento degli impianti fotovoltaici

Il dimensionamento è un'operazione complessa, poiché dipende da una serie di fattori di tipo climatico, tecnico, economico, architettonico, che vanno visti nella loro interazione. E' soprattutto il sistema di incentivi introdotto con il Conto energia a influire in maniera determinante sul dimensionamento degli impianti connessi in rete, a seconda che si scelga di puntare sulla vendita oppure sull'autoconsumo di energia.

Attenzione: il 6 luglio 2013 è terminato il Quinto (e probabilmente ultimo) Conto energia.

Dimensionare un impianto fotovoltaico significa in primo luogo individuare la potenza complessiva dei moduli necessaria per soddisfare determinati scopi elettrici. La potenza nominale di un modulo fotovoltaico (e quindi di un impianto fotovoltaico) si misura in kWp, cioè in "kilowatt di picco".

L'unità di misura del kWp viene utilizzata per identificare una dato di potenza nominale "oggettivo" per il fotovoltaico,  indipendentemente dalla variabilità caratteristica della radiazione solare. Il kWp individua la potenza istantanea erogata da un modulo fotovoltaico in condizioni standard di irraggiamento. 1.000 W/m² di radiazione solare e 25 °C di temperatura ambiente. La superficie media, su un tetto inclinato, necessaria per avere 1 kWp installato è di circa 8 m² di moduli monocristallini o policristallini.

Va tenuta in debito conto la bassa "densità energetica" della tecnologia fotovoltaica: ad esempio, per avere una potenza installata di 3 kWp, che è all'incirca quanto serve per soddisfare l'intero fabbisogno di una famiglia di 3-4 persone, occorrono più o meno 24 m² di pannelli solari. Le notevoli superfici in gioco rendono evidente l'importante funzione architettonica, oltre che energetica, svolta dagli impianti fotovoltaici.

In ogni caso, un risultato estetico soddisfacente può anche mettere in secondo piano la massimizzazione dei vantaggi economici.

I criteri di dimensionamento trattati in questa sede vanno considerati alla stregua di consigli di massima. E’ in ogni caso opportuno rivolgersi a operatori e ditte specializzate, che grazie all’esperienza acquisita e all’utilizzo di sofisticati software di simulazione, possono dimensionare un impianto nella maniera più corretta.

Conoscere la risorsa solare

Una stima della producibilità di un impianto fotovoltaico può essere realizzata soltanto a partire da dati concreti sulla risorsa solare disponibile nella località prescelta per l’installazione.

Esistono diversi atlanti solari, reperibili anche su internet, che riportano la radiazione media per ogni area geografica, su base annuale e/o mensile, espressa in kWh/m².

Due sono i principali atlanti solari reperibili sul web:
1. L’Atlante italiano della radiazione solare, sviluppato dall’Enea, è dedicato alla valutazione della radiazione solare nella nostra penisola. Sono disponibili dati per ogni singolo comune italiano.
2. Il Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS), sviluppato dalla Commissione Europea, consente di conoscere la radiazione solare in tutta Europa, Italia compresa.

I dati reperibili sugli atlanti sono solamente un punto di partenza per una stima dell’effettiva producibilità dell’impianto. Gli atlanti infatti contengono dati “lordi” sulla disponibilità solare, mentre ciò che a noi in definitiva interessa è la disponibilità “netta” di radiazione trasformabile in elettricità utile.

Orientamento e inclinazione dei moduli

L'orientamento ideale per i pannelli fotovoltaici è senza dubbio il Sud. E' noto come le superfici esposte a Sud godano della maggior quantità possibile di radiazione solare.
Spesso accade che le superfici disponibili per l'installazione non siano perfettamente esposte a Sud; questo nella gran parte dei casi non costituisce un grave problema. Infatti, spostamenti anche consistenti verso Sud-est o Sud-ovest comportano diminuzioni trascurabili nella producibilità elettrica dell'impianto.

Per gli impianti connessi alla rete, l'inclinazione ideale rispetto alla superficie orizzontale è quella che consente di massimizzare la produzione elettrica su base annua. L'angolo di inclinazione dei moduli dipende dalla latitudine della località scelta per l'installazione. Un valore medio normalmente consigliato è di 30°, ma possono andare bene anche inclinazioni di 20° o 40°.

Anche per gli impianti isolati è consigliabile un angolo di inclinazione dei pannelli di circa 30°. Tuttavia, per questi impianti l'inclinazione scelta deve rispondere soprattutto alla necessità di copertura istantanea del carico elettrico e di ricarica delle batterie di accumulo, piuttosto che a criteri di massima producibilità dettati dalla presenza della tariffa incentivante.

Spieghiamoci meglio con un esempio concreto. Ipotizziamo un rifugio montano isolato dalla rete e aperto tutto l'anno, che si affida unicamente al fotovoltaico per soddisfare il proprio fabbisogno elettrico. Sappiamo bene che nella stagione invernale la radiazione solare è modesta e il percorso del sole rimane basso sull'orizzonte. Questo significa che, se si intende massimizzare la resa invernale dell'impianto in modo da non rimare privi di energia elettrica, l'angolo ottimale di inclinazione dei moduli sul piano orizzontale potrà essere anche di 50° o 60°.
Viceversa, se il rifugio montano viene utilizzato solo nella stagione estiva, allora l'angolo di inclinazione dei moduli potrà essere anche di soli 15°-20°, per intercettare la radiazione solare che d'estate è quasi perpendicolare al piano orizzontale.

Stimare la producibilità dell’impianto

Per stimare la reale capacità di produzione di energia elettrica dell’impianto è necessario mettere in correlazione i dati forniti dagli atlanti solari con le prestazioni tecniche dei componenti dell’impianto. Solo in questo modo, possiamo stimare la quantità di energia fornita dall'impianto, espressa in kWh elettrici per ogni kWp di potenza installata.

L'efficienza dei moduli 

I rendimenti dei moduli fotovoltaici, calcolati in condizioni standard di irraggiamento (1.000 W/m² a 25 °C di temperatura), variano a seconda della tecnologia utilizzata: si va da valori del 6-10% per il silicio amorfo al 10-15% per il silicio mono e policristallino.
Ipotizzando un’efficienza media del 12,5%, occorreranno 8 m² di superficie di moduli per avere una potenza installata di 1 kWp, in grado di produrre annualmente una quantità (teorica) di kWh elettrici pari alla radiazione solare annua

Ad esempio nell'Italia centrale si può prevedere una produzione elettrica pari all'incirca a 1.700 kwh elett./kWp anno.

L'efficienza di conversione 

Si tratta del cosiddetto BOS (Balance of System) che tiene conto non dell'efficienza dei moduli, ma della restante parte del sistema fotovoltaico, considerando quindi le perdite imputabili ai diversi dispositivi elettrici dell’impianto. Il valore medio del BOS è all’incirca dell’85%. Quindi dobbiamo correggere la producibilità annua stimata in base ai dati sulla radiazione solare, moltiplicandola per il BOS.

Ad esempio: 1.700 kWh elett./kWp anno x 85% BOS = 1.445 kWh elett./kWp anno.

Prendiamo un impianto fotovoltaico installato sul tetto di una villetta romana. Conosciamo la radiazione solare media annua (1.700 kWh/m²) e anche la producibilità elettrica dell'impianto, al netto del BOS (1.445 kWh elett./kWp anno). Ipotizzando un impianto fotovoltaico con potenza di 2 kWp, che occupa circa 16 m² di superficie, avremo una producibilità annua stimabile attorno ai 2.890 kWh elettrici  

Dimensionare un impianto isolato dalla rete 

Gli impianti fotovoltaici che alimentano edifici privi di collegamento con la rete elettrica, vanno dimensionati con particolare cura. Molto spesso, infatti, queste utenze dipendono dalla tecnologia fotovoltaica per la fornitura di tutta o gran parte dell’elettricità.

Le utenze isolate devono poter disporre di energia elettrica anche in assenza di radiazione solare (durante la notte o con tempo nuvoloso). Questo rende indispensabile la presenza di un accumulatore di elettricità, realizzabile con un sistema elettrochimico a batterie. L’impianto quindi va dimensionato in modo da soddisfare, nelle giornate favorevoli, non solo le richieste dell’utenza ma anche l’accumulo di energia elettrica per un utilizzo posticipato.

L'integrazione tra il fotovoltaico e altre fonti di energia (eolico, generatori diesel, ecc.) costituisce una delle migliori soluzioni impiantistiche per le utenze isolate dalla rete, poichè consente un migliore dimensionamento dei diversi componenti.

Per ulteriori approfondimenti tecnici e impiantistici, consulta la pagina "Impianti isolati dalla rete" nel menu di destra.

Dimensionare un impianto connesso alla rete

Un impianto fotovoltaico connesso alla rete non deve necessariamente essere dimensionato per soddisfare l’intero fabbisogno elettrico dell’utenza. Infatti una delle funzioni principali della rete è quella di supplire ai deficit di produzione energetica dell’impianto, consentendo il prelievo dell’energia a favore dell’utenza in caso di necessità.

Il collegamento alla rete risulta particolarmente utile per le fonti energetiche aleatorie, cioè non programmabili, tra tutte la fonte solare e quella eolica. In pratica, per gli impianti connessi alla rete, in cui è assicurata continuità alla fornitura di energia elettrica, i criteri di dimensionamento sono determinati più da considerazioni economico-tariffarie legate allo scambio di energia con la rete e ai corrispettivi per l'autoconsumo e la vendita di energia, che dalla necessità di inseguire i carichi elettrici.

Simulatori per il dimensionamento degli impianti

Per valutare la convenienza e la fattibilità di un impianto fotovoltaico, un buon esercizio preliminare è quello di utilizzare uno dei tanti simulatori disponibili sul web. I simulatori sono strumenti interattivi che, partendo da una serie di parametri inseriti dall'utente, danno come risultato alcuni dati specifici -potenza, area occupata, ecc.- sull'impianto fotovoltaico "ideale".

In particolare, segnaliamo un ottimo simulatore realizzato da Enerpoint, utile per farsi un'idea del dimensionamento di massima di edifici residenziali, aziende e impianti isolati.

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