Gestione dell'energia

Come mi è stato fatto notare nell'articolo precedente, c'è un po' di confusione in giro per quanto riguarda la gestione dell'energia elettrica prodotta per mezzo di pannelli fotovoltaici. Si va dall'ecologista molto new age che pensa che basta metterli all'aperto per sopperire al fabbisogno energetico mondiale anche di notte, al simpaticissimo newbie che inizia la trattazione ipotizzando una batteria da auto come fonte energetica per un condominio, oppure chi intelligentemente si chiede se è proprio vero, come ci dicono tutti i professori, che l'energia elettrica non si può accumulare. Aimè la risposta giusta è proprio questa: non esiste un contenitore dentro al quale mettere energia elettrica e riprenderla al bisogno come fosse un serbatoio. Si può però momentaneamente trasformare in qualcos'altro e riprenderla al momento del bisogno con un buon rendimento. Scelta obbligata quella dell'accumulo energetico per gli impianti fotovoltaici od eolici stand alone perchè solitamente c'è un forte sfasamento tra produzione e consumo energetico (Chi è che accende le lampadine di giorno e le spegne di notte?). Un'installazione di questo tipo è composta quindi da un generatore fotovoltaico ed un sistema di gestione dell'energia che comprende regolatore di carica per gli accumulatori, batterie ed inverter.

Dimensionamento del regolatore di carica

La scelta del regolatore di carica per un impianto fotovoltaico ad isola presuppone la conoscenza di:

• Potenza di picco installata
• Tensione nominale del sistema in CC
• Eventuali funzioni accessorie

Il pannello solare scelto presente una corrente alla potenza massima I_mpp = 8,07 A e le specifiche danno una tolleranza esclusivamente positiva dello 0…+3% . Di conseguenza nel caso peggiore per l’elettronica di potenza si ha una corrente di

Considerando un coefficiente di sicurezza χ = 1,2 si ottiene una corrente minima richiesta di 30 A. La tensione di impianto è 24 volt, di conseguenza per l’installazione in oggetto si è scelto un regolatore con tecnologia PWM commerciale da 30 A per sistemi a 12/24 volt nominali.

Dimensionamento del sistema di accumulo

Avendo verificato che l’autoscarica degli accumulatori nel peggiore dei casi sia compatibile con i 3 vincoli espressi nel precedente articolo si è provveduto a trovare il miglior compromesso per un sistema di accumulo energetico in armonia con il resto dell’impianto. Nonostante non fosse esplicitamente richiesta dal committente è buona norma dotare l’impianto di una capacità energetica di riserva per ovviare ai giorni con insolazione inferiore alla media mensile. Ipotizzando lo scenario peggiore come giornata in cui la nuvolosità è tale da rendere la produzione netta nulla ci si è posti come vincolo tecnico la garanzia di 2 giorni di autonomia al consumo medio stimato . Il fabbisogno di 2 giorni è quantificabile in

che alla tensione nominale di 24 volt corrispondono a 242 Ah. La tecnologia al Piombo-Acido è una scelta obbligata dalla disponibilità commerciale di altre categorie di accumulatori che è praticamente nulla. La tipologia di batteria è invece determinata dalle caratteristiche fisiche dell’ambiente adibito a vano batterie. Gli accumulatori al piombo infatti una volta raggiunta la piena carica dissipano l’ulteriore energia loro fornita per via elettrolitica scindendo l’acqua in idrogeno ed ossigeno in quantità stechiometrica. Raggiunto il 4% in volume di idrogeno nell’ambiente si presenta il pericolo di esplosioni.
La norma CEI EN 50272-2 "Prescrizioni di sicurezza per le batterie di accumulatori e le loro installazioni – Parte 2: Batterie stazionarie" detta le condizioni minime di ventilazione affinché il rischio di esplosioni non sia pericoloso per l’uomo. Imponendo un coefficiente di sicurezza ( χ ) pari a 10 la portata d’aria minima prescritta dalla norma di cui sopra è

Dove si è indicato

Q = portata d’aria di ventilazione [ m³/h ]

v = inverso della frazione d’innesco dell’idrogeno = 24

q = quantità di idrogeno generato [ m³/ Ah ]

n = numero di elementi

I_gas = corrente di soglia della produzione di gas

C_rt= capacità nominale degli elementi calcolata per una scarica in C₁₀ con U_f = 1,80 V

Per la seconda legge di Faraday la produzione di idrogeno per elettrolisi in condizioni normali è di 0,42 dm³ per Ampere che circola nell’elemento. Nella peggiore delle ipotesi un regolatore PWM come quello scelto per l’applicazione in oggetto, salvo malfunzionamenti catastrofici, raggiunge una tensione massima pari a V_boost . Nella tabella sottostante sono elencati i coefficienti per il calcolo della portata d’aria per il caso di batterie ad acido libero e per il caso di accumulatori VRLA.

Considerando elementi della classe dei 60 Ah come compromesso migliore tra costo e prestazioni, ne risultano i seguenti valori minimi di portata d’aria

Dove si è indicato, coerentemente con le scelte precedenti, con n il numero di elementi singoli costituenti il banco batterie. La capacità calcolata del banco di accumulo è di 242 Ah a 24 Volt, consistenti in 8 batterie della classe 60 Ah . Ogni batteria è composta da 6 elementi, ne conseguono le portate d’aria (espresse in m³/h) riportate nella tabella 11.

Affidando il ricircolo dell’aria alla sola convezione naturale per motivi di affidabilità si ottiene una superficie minima di

Per soddisfare i requisiti di sicurezza si rendono quindi necessarie 2 aperture ( una per l’ingresso ed una per l’uscita indipendentemente dalle correnti d’aria) di superficie ( in m²) indicata nella tabella

La configurazione del vano batterie comprende due aperture vasistas di 80x20 cm che garantiscono il ricambio d’aria per entrambe le categorie di accumulatori, di conseguenza la scelta sarà di natura puramente economica. Si è reso disponibile al momento della progettazione dell’impianto un lotto di 20 batterie AGM VRLA modello EXIDE Sprinter P12V1575 mostranti pesanti segni di solfatazione. A seguito dei trattamenti descritti nel paragrafo 4.3.2.3 si è dedotta l’idoneità all’impiego di queste batterie nell’impianto in oggett. La capacità nominale di ogni accumulatore in regime di scarica C₁₀ è di 61 Ah a 12 V.

Scelta dell’inverter

La scelta dell’inverter deriva dalla conoscenza di alcuni dati essenziali quali:

• Potenza di picco
• Tensione nominale del sistema
• Caratteristiche accessorie richieste

Dal calcolo del fabbisogno dell’utenza effettuato nel paragrafo 3.1 si ottiene un valore di potenza di picco di P_p = 1840 W e la tensione nominale 24 V. Tra gli innumerevoli prodotti disponibili sul mercato la scelta è ricaduta su un modello di inverter ad output sinusoidale puro per armadio rack da 19" con le seguenti caratteristiche:

• Potenza media continuativa = 1500 W
• Tensione nominale in ingresso = 24 V
• Tensioni accettate in ingresso = 18-26 V
• Tensione di cut off = 18 V
• Tensione in uscita = 220 V / 230 V selezionabile
• Frequenza in uscita 50 Hz
• Efficienza al 75% del carico massimo = 91%
• Corrente a vuoto = 0,60 A
• MTBF = 200000 ore

La scelta è ricaduta su tale modello per le ottime garanzie di resistenza ed efficienza. L’inverter inoltre dispone all’interno di protezione automatica contro:

• Cortocircuito in uscita
• Sovratensione in uscita
• Sovratensione in ingresso
• Inversione di polarità in ingresso
• Sovraccarico in ingresso
• Sovraccarico in uscita

L’apparecchio è basato sulla tecnologia del convertitore statico con trasformatore ad alta frequenza e modulazione dell’onda sinusoidale in PWM e dispone di un circuito per il management remoto di ogni funzione compresa l’identificazione e la correzione di malfunzionamenti lievi. Per quanto riguarda la tolleranza ai sovraccarichi transitori le specifiche elencate nella tabella sottostante garantiscono il corretto funzionamento e la continuità di servizio anche nel peggiore degli scenari.

Dimensionamento dei conduttori

Per la scelta dei conduttori da impiegare nella sezione a 24 V dell’impianto si è cercata la situazione più gravosa e verificato che le perdite fossero contenute entro il 2% della potenza trasmessa. Per necessità di chiarezza si è diviso concettualmente l’impianto in due sezioni:

• Sezione 1: Generatore fotovoltaico –> regolatore di carica -> batterie
• Sezione 2: Batterie ->Inverter

Per massimizzare il rendimento, essendo l’inverter dotato di logica interna per la gestione della corrente in ingresso, si è provveduto a connettere il convertitore statico direttamente al banco di accumulo. Il calcolo delle perdite nei conduttori si avvale delle leggi base dell’elettrotecnica quali:

• Prima legge di Ohm

• Seconda legge di Ohm

• Legge di Joule

Poiché le perdite per effetto joule sono proporzionali al quadrato della corrente circolante la parte critica dell’impianto è quella a tensione più bassa. Nel caso in esame si tratta della connessione elettrica tra il generatore fotovoltaico e le batterie. Con riferimento alla norma UNEL 35023 valida per impianti di estensione entro i 50 metri si ottengono le sezioni illustrate nella tabella 14.

La posa del cavo è prevista in canalina con conduttore FG7R con guaina in PVC.

Sicurezza elettrica

Nella progettazione di un impianto fotovoltaico stand alone riveste un ruolo di primo piano la sicurezza elettrica. La norma CEI 64-8/2 descrive con il termine "sistema elettrico" la parte di un impianto funzionante ad una determinata tensione nominale. Nell’installazione in oggetto si trovano quindi 2 sistemi elettrici con caratteristiche diverse in corrente e tensione:

• Una sezione in bassissima tensione ( 24 V ) in corrente continua
• Una sezione in bassa tensione ( 220 V ) in corrente alternata

Vista l’estensione ridotta dell’impianto e l’isolamento totale da ogni altra linea elettrica è possibile configurare la realizzazione come:

• Impianto isolato (flottante)
• Impianto vincolato al potenziale di terra

Le caratteristiche peculiari delle 2 configurazioni sono qui riassunte

Poiché l’installazione in oggetto è sita in una zona di montagna soggetta a frequenti eventi climatici violenti, di conseguenza la scelta è ricaduta sull’impianto riferito al potenziale di terra. La protezione di un impianto elettrico prevede precauzioni per garantire la non pericolosità verso l’uomo e precauzioni per limitare i danni alle apparecchiature in caso di guasto.

Protezione dai danni alle persone

Il pericolo per le persone deriva dal rischio di folgorazione e conseguente arresto cardiaco che avviene quando il corpo viene attraversato da una corrente variabile da caso a caso ma solitamente superiore ai 30 mA. La folgorazione può avvenire per contatto con parti in tensione e si definisce

• Contatto diretto quando un conduttore esposto ed alimentato è causa della folgorazione
• Indiretto se la corrente passa attraverso la carcassa metallica prima di richiudersi a terra attraverso il corpo umano

Per ridurre il pericolo di danni alle persone si procede in maniera differente a seconda dalle caratteristiche peculiari dell’impianto. Per la parte in bassissima tensione, come prescritto dalla norma CEI 64-8 si ricade nella categoria 0 ( Che comprende impianti in cc fino a 120 volt nominali ed in ca fino a 50 volt nominali ) che prevede 3 diverse esecuzioni:

• SELV (Safety Extra Low Voltage o in italiano bassissima tensione di sicurezza): alimentazione da fonte autonoma (batteria) o trasformatore con doppio isolamento. Il collegamento a terra di questo genere di sistemi non è necessario, è anzi vietato (Apparecchi di classe III ).
• PELV (Protective Extra Low Voltage): in cui un punto dell’impianto è connesso a terra per motivi funzionali.
• FELV (Functional Extra Low Voltage): sebbene siano presenti tensioni nominali rientranti nella definizione bassissima tensione, in questi sistemi non è garantito l'isolamento di sicurezza da sistemi in bassa tensione. L'impiego di sistemi FELV si ha laddove siano necessarie bassissime tensioni per motivi funzionali (es. servosistemi) ma non sia previsto il contatto diretto da parte dell'uomo, che deve essere impedito tramite opportuna protezione IP ed isolamento.

Le caratteristiche costruttive dei pannelli fotovoltaici sigillati in EVA rendono questi prodotti suscettibili all’ossidazione con conseguente decremento prestazionale nel tempo. Per ovviare a questo inconveniente si rende necessaria la connessione a terra del polo positivo del generatore fotovoltaico e di conseguenza si rientra nella categoria PELV. Per la parte a bassa tensione invece si hanno 3 possibili esecuzioni:

• TT in cui generatore e utilizzatori sono connessi direttamente a terra
• IT in cui il generatore è isolato mentre gli utilizzatori sono connessi a terra
• TN in cui il generatore è connesso a terra mentre gli utilizzatori sono isolati

Per garantire la protezione umana contro le folgorazioni la normativa prevede che in caso di guasto a terra nella peggiore delle ipotesi il soggetto sia interessato da una tensione di massimo 50 volt per 5 secondi. Per garantire ciò si predispone il sistema di erogazione dell’elettricità come TN e si mette a protezione della sezione di bassa tensione un interruttore differenziale. Questo agisce quando rileva una dispersione di corrente di valore superiore a quello di taratura. La scelta dell’interruttore differenziale più adatto allo scopo si basa su 6 principali parametri

• Categoria dell’interruttore
• Corrente nominale
• Tensione di esercizio
• Corrente di dispersione massima
• Tempo di intervento
• Potere di interruzione

La norma CEI 64-8 non prescrive direttamente l’uso di un interruttore differenziale per utenze domestiche ma il vincolo di una tensione massima accessibile all’utente di 50 volt per 5 secondi può essere rispettato solo con un dispositivo di interruzione a sensibilità differenziale. La categoria dell’interruttore indica la sensibilità alle possibili correnti di guasto e può essere

• AC, interruttori sensibili solo alle correnti di dispersione sinusoidali
• A, sensibili alle correnti sinusoidali e pulsate
• B, sensibili anche alle correnti di guasto continue

Il differenziale di categoria B è nettamente più complesso e costoso dei tipo A ed AC ma si rivela necessario in tutte quelle installazioni in cui ci sono apparecchiature che in caso di guasto possono iniettare correnti continue o comunque correnti con una componente continua che può raggiungere valori pericolosi per l’uomo. Nell’impianto in fase di studio l’inverter presenta un trasformatore che isola permanentemente il circuito in cc da quello in ca, e tra le apparecchiature dell’utenza non ci sono alimentatori switching o circuiti similari capaci di generare un guasto di dispersione in corrente continua. Di conseguenza si è optato per un interruttore di categoria A con una I_dn = 0,03A ed una corrente nominale pari a I_n = 16 A. Le caratteristiche complete sono elencate nella tabella sottostante

Che corrisponde a svariati interruttori commerciali tra i quali si è scelto un modello della Bticino codice Btdin45.

Protezione dai danni alle apparecchiature

Il danno alle cose avviene quando si superano i parametri costruttivi per cui è pensato il determinato apparecchio. Semplificando gli innumerevoli casi che si possono presentare si hanno i seguenti rischi:

• Sovraccarico, che avviene quando viene superato uno o più parametri di targa per un lungo periodo
• Corto circuito, che avviene quando si ha un guasto a bassa impedenza che provoca una corrente circolante di alcuni ordini di grandezza superiore a quella nominale

Per la parte dell’impianto a valle dell’inverter la sopravvivenza delle apparecchiature è garantita dalle protezioni interne dell’inverter che intervengono nel caso di

• Sovraccarico
• Corto circuito
• Sovratensione

A monte del convertitore statico invece sono necessari dispositivi atti a contenere la possibile corrente di corto circuito generata dalla batterie. Sul datasheet del produttore le batterie scelte sono accreditate di una corrente di corto circuito di 1580A. Poiché il banco accumulatori è composto da 4 coppie di batterie collegate in serie per ottenere i 24 volt nominali a cui funziona l’inverter nella peggiore delle ipotesi si assiste ad una corrente di corto circuito teorica pari a

Per la protezione dai cortocircuiti e sovraccarichi si è optato per l’uso di fusibili che garantiscono una sicurezza paragonabile a quella fornita degli interruttori magnetotermici ad una frazione del costo. Molti produttori hanno a listino fusibili specifici per impianti fotovoltaici grid connected che operano a tensioni fino a 1000 volt ma per l’installazione in oggetto si è provveduto ad adattare fusibili tradizionali per corrente alternata.

Derating dei fusibili

I fusibili possono essere normalmente utilizzati per interrompere sia correnti alternate che correnti continue. In caso di corto circuito, quando i valori delle correnti in gioco risultano molto elevati, i processi fisici di interruzione in corrente alternata ed in corrente continua risultano infatti essere molto simili. Viceversa, in caso di sovraccarico di corrente, i relativi processi di interruzione sono completamente differenti. Mentre, nel caso della corrente alternata, il periodico passaggio di essa per il valore zero facilita l’estinzione dell’arco elettrico, nel caso della corrente continua, il fusibile deve assorbire completamente l’energia accumulata durante l’intera durata dell’arco. Di conseguenza, il potere di interruzione in corrente continua è dipendente da tale quantità di energia, cioè dalla costante di tempo del circuito e, di norma, il suo valore è inferiore al relativo valore in corrente alternata. La costante di tempo (T) corrisponde al rapporto fra l’induttanza (L) e la resistenza (R) del circuito in corrente continua. La formula

ne costituisce quindi un parametro importantissimo, corrispondente al fattore di potenza nei circuiti in corrente alternata. Essa rappresenta la velocità di salita della corrente ed anche la quantità di energia accumulata durante il tempo di fusione dell’elemento fusibile. I fusibili di potenza per bassa tensione (fusibili utilizzati principalmente per applicazioni industriali), in accordo con la normativa CEI EN 60269-2, presentano un valore minimo del potere di interruzione pari a 50kA in c.a. e 25kA in c.c. In particolare, quest’ultimo valore si riferisce ad una costante di tempo convenzionale di 15ms, un valore che è riscontrabile nella maggior parte delle applicazioni industriali. Il potere di interruzione diminuisce al crescere di tale costante di tempo, e viceversa aumenta in circuiti aventi costanti di tempo inferiori. La tensione nominale cui può essere utilizzato un fusibile per ca in cc è dipendente dalle modalità costruttive dello stesso ma si può accettare come parametro a favore di sicurezza una tensione massima di impiego pari a metà della relativa in ca. Per quanto riguarda la caratteristica tempo/corrente bisogna applicare un procedimento detto di derating per trovare la prestazione reale di un fusibile progettato per ca ed utilizzato in cc. PArtendo dai grafici forniti dal produttore dei componenti utilizzati (in questo caso la ItalWeber)Il procedimento di derating prevede:

• L’individuazione del tempo di fusione per la corrente interessata sul grafico caratteristico del funzionamento in CA

fusibile.png

• La determinazione del valore

• La determinazione del coefficiente k sul grafico

kk.jpg

• L’individuazione della corrente reale di fusione per il tempo t scelto al punto 1 tramite la formula

Per l’applicazione oggetto di questo studio si sono scelti i seguenti fusibili:

• N°1 fusibile con I_n = 32 A da applicare tra il generatore fotovoltaico ed il regolatore di carica come prescritto dal produttore dei pannelli solari che non è interessato da derating
• N°4 fusibili con I_n = 16 A da applicare in serie ad ogni coppia di batterie che alimentando un circuito ad alto valore di impedenza induttiva necessita di verifica dei dati nominali

Per calcolare l’effettiva prestazione del fusibile una volta messo in opera è necessario ricavare la costante di tempo del circuito. Seguendo il percorso della corrente all’interno dell’inverter si ottiene qualitativamente uno schema come quello nella figura

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Per conoscere la costante di tempo τ del sistema protetto è sufficiente quindi trovare le caratteristiche tecniche del trasformatore , dei mosfet e dei conduttori impiegati. Il trasformatore opera ad una frequenza di 52 kHz , ha una potenza di 700 VA ed ha un nucleo toroidale con sezione di 3 cm² . Per la forma d’onda in esame la tensione media E_avg ai capi dell’avvolgimento è regolata dalla formula

Per la forma d'onda in oggetto (pulsata a omopolare) si ha una valore di B pari a

Ne derivano i dati teorici in tabella

A seguito dell’ispezione visiva dell’inverter si è appurato che le spire sono realmente 11 e sono composte da 4 conduttori in rame di 2 mm² di sezione in parallelo. L’induttanza L dell’avvolgimento primario può quindi essere calcolata con la formula classica per avvolgimenti a nucleo toroidale

Con :

• μ = permeabilità magnetica del nucleo
• N = numero di spire
• A = sezione del toroide
• r = raggio medio

La resistenza R è invece calcolabile semplicemente conoscendo la resistività del rame che è pari a

e dal il valore di resistenza R_dson offerta dai mosfet . I valori calcolati per R, L e τ sono esposti in tabella

R
L
τ

Considerando un tempo di fusione standard di 15 ms ed una costante di tempo τ = 0,00422 si ottiene un valore di n = 3,55. Intercettando sul grafico il valore di n si ottiene un coefficiente di correzione k = 0,75. Per ulteriore sicurezza approssima tale valore a 0,7. Il fusibile necessario a proteggere il circuito in bassissima tensione avrà quindi un valore nominale di