Generalità

Un impianto fotovoltaico converte l'energia solare in energia elettrica. Con la tecnologia attuale, a grandissime linee, si può ottenere una potenza dell'ordine di 150 W per ogni metro quadro.
Poiché la rete di distribuzione è in alternata, l'energia fotovoltaica, che è in corrente continua, deve essere convertita.
Il generatore fotovoltaico può alimentare un impianto utilizzatore e riversare nella rete pubblica l'energia in eccesso. Così funzionano gli impianti grid connected, cioè connessi alla rete.
I principali componenti di un impianto fotovoltaico connesso alla rete pubblica in bassa tensione, sono

1. Il generatore fotovoltaico
2. l'inverter
3. il dispositivo del generatore (DDG)
4. il misuratore dell'energia prodotta
5. il dispositivo di interfaccia (DDI)
6. Il misuratore dell'energia di scambio con la rete
7. il dispositivo generale (DG)

Generatore fotovoltaico (PV)

Il modulo è l'unità base del generatore, ed è costituito da un insieme di celle collegate in serie ed in parallelo per ottenere tensione e corrente nominali.
Più moduli collegati in serie costituiscono una stringa. Il numero di moduli di una stringa dipende dalla tensione che si desidera ottenere.
Gruppi di stringhe possono essere collegate in parallelo. Il numero di stringhe in parallelo dipende dalla potenza, quindi dalla corrente, che si desidera produrre.
L'insieme delle stringhe costituisce il campo fotovoltaico. Il campo può essere diviso in sottocampi, sottoinsiemi di stringhe.
A parità potenza, la scelta di una tensione elevata diminuisce le stringhe da porre in parallelo, riducendo il costo del cablaggio (meno quadretti e cavi) e le perdite in continua. Sono però più severe le sollecitazioni dielettriche e le condizioni operative dei dispositivi di manovra e protezione.
Il generatore fotovoltaico è assimilabile ad un generatore di corrente ed ha una caratteristica corrente-tensione, che ricalca quella della cella elementare, e che dipende dalla temperatura.
Sulla caratteristica esiste un punto (MP) in cui la potenza, prodotto di tensione per corrente, è massima

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Inverter

Converte in alternata la corrente continua prodotta dal generatore fotovoltaico.
La forma sinusoidale in uscita è ottenuta con tecnica PWM, adattando i valori di tensione e frequenza a quelli di rete, per consentire il parallelo.
Gli scostamenti rispetto ai valori nominali non devono mai superare il 20% per la tensione ed il 2% per la frequenza. In caso contrario l'inverter deve essere sconnesso dalla rete automaticamente.
La forma d'onda d'uscita è filtrata per impedire l'immissione in rete di armoniche e componente continua. Un filtro LC ed un trasformatore sono previsti allo scopo. Il trasformatore, detto impropriamente di isolamento, può essere interno od esterno all'inverter. Se la potenza dell'impianto è minore di 20 kW, il trasformatore può essere sostituito da una protezione elettronica che sconnette l'inverter quando la componente continua supera lo 0,5% del massimo valore efficace della componente fondamentale a 50 Hz della corrente totale.
L'inverter è dotato della funzione MPPT ( Maximum Power Point Tracking) che adegua il generatore al carico, facendo in modo che il generatore lavori sempre nel punto MP della caratteristica corrente-tensione.La massima tensione di ingresso dell'inverter (V_{_max_inv}) è bene che sia un 20% maggiore della tensione massima a vuoto prodotta dal generatore PV (V_{_max_GenPV_vuoto}).
Per il corretto funzionamento della funzione MPPT, il valore massimo dell'inverter (V_{_max_MPPT_inv}) non deve essere superato dal valore massimo della tensione del generatore nel punto di massima potenza (V_{Max_MPPT_GenPV}), mentre il valore minimo per l'inverter (V_{min_MPPT_inv})deve essere inferiore alla tensione minima prodotta dal generatore nel punto di massima potenza (V_{min_MPPT_GenPV}).
La figura illustra il posizionamento reciproco delle tensioni caratteristiche

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La massima corrente del generatore PV nel punto di massima potenza, I_Max_MPPT_GenPV deve essere inferiore alla massima corrente accettata dall'inverter.
La potenza degli inverter in commercio arriva ad una decina di kilowatt in monofase, supera le centinaia di kilowatt in trifase.

Misuratori dell'energia

Contatori elettronici che consentono la telelettura dell'energia prodotta dall'impianto PV e di quella scambiata con la rete. Quella prodotta è pagata con tariffa incentivante. L'energia può essere venduta o scambiata sul posto. Il contratto di vendita o di scambio sul posto (SSP) ( quest'ultimo è il contratto tipico di chi installa il PV per soddisfare ai suoi bisogni ed usa la rete per prelevare energia quando il PV non la può produrre o la produce in modo insufficiente), è stipulato con il GSE (Gestore Sevizi Elettrici) che si occupa della distribuzione commerciale dell'energia, mentre il Distributore (Enel ecc) si occupa di quella fisica.

DG

Il Dispositivo Generale è l'interruttore automatico magnetotermico che separa l'impianto utilizzatore dalla rete.

DI

Il Dispositivo di Interfaccia è un interruttore automatico, oppure un contattore con fusibili (categoria AC-1 o AC-7) che separa l'impianto PV dal resto dell'impianto utilizzatore.
Esso è controllato da un insieme di relè, denominato SPI (Sistema di Protezione di Interfaccia), che ha la funzione di aprire il DI quando i valori di tensione e frequenza escono dall'intervallo di tolleranza.
Lo scatto è immediato quando è la frequenza ad uscire dai limiti di taratura; quando è la tensione può essere stabilito un ritardo intenzionale massimo di 0,1 s, se la tensione supera del 20% il valore nominale, e di 0,2 s se è inferiore. La tolleranza sulla frequenza è in genere dello 0,6% ma può arrivare fino ad un massimo del 2% se gli scatti sono intempestivi.

DDG

E' un interruttore automatico od un contattore con fusibili che separa un sottocampo (o l'intero campo) dal resto dell'impianto.

Schemi di connessione alla rete pubblica BT

Possono essere adottati vari schemi di connessione che dipendono dalla complessità dell'impianto e dal grado di continuità del servizio desiderato. L'impianto utilizzatore inizia nel punto di consegna, immediatamente a valle del contatore di scambio.

Monoinverter

Esiste un unico inverter per l'intero campo fotovoltaico. Si può adottare quando i moduli dello stesso tipo sono tutti nelle stesse condizioni di esposizione.
L'interruttore del generatore può svolgere anche la funzione di dispositivo di interfaccia (DDG=DI).

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Multiinverter

Quando per il campo fotovoltaico è esteso ed i moduli hanno diversa orientazione sono necessari più inverter. Ce ne può essere uno per ogni stringa (inverter di stringa) oppure un inverter può asservire gruppi di stringhe. La prima soluzione è in generale la più efficiente, ma anche la più costosa.

DDI unico

E' lo schema standard. Ogni generatore fotovoltaico ha il suo interruttore. Le tre funzioni, DG, DI, DDG sono realizzate con dispositivi distinti.

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DDI=DDG

Se i generatori fotovoltaici sono al massimo tre e di potenza complessivamente inferiore a 20 kW, le funzioni di dispositivo del generatore e di dispositivo di interfaccia, possono coincidere.

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Centrale fotovoltaica

L'impianto fotovoltaico è costruito solo per immettere energia nella rete pubblica BT. Non esiste un impianto utilizzatore. Un unico dispositivo può svolgere le funzioni di Interruttore generale ed dispositivo di interfaccia.

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Criteri di scelta

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Piccoli impianti domestici da 3 kW sono in genere monoinverter con inverter monofase alimentato da una o due stringhe.
Fino a 6 kW l'inverter è ancora monofase ed in genere multistringa.
Tra 6 e 100 kW si adotta la soluzione multinverter. Gli inverter sono monofase, e più inverter sono in parallelo sulla stessa fase. Un unico trasformatore di separazione può essere necessario per adeguare la tensione prodotta dagli inverter a quella di rete.

Riferimenti

Guida Cei 82-25
Fotovoltaico - ed. TNE