di  -  giovedì 20 agosto 2009

Dopo questa breve pausa estiva, riprendiamo la trattazione relativa agli impianti fotovoltaici, introducendo gli ultimi dettagli preliminari e presentando un “caso reale”.

Per procedere al progetto di un qualsiasi impianto solare (non solamente fotovoltaico) è necessario valutare le potenzialità del sito in esame, analizzando irraggiamento e posizione delle superfici disponibili per l’impianto, al fine di individuare eventuali elementi ombreggianti che ridurrebbero la resa produttiva dell’impianto.

E’ poi ovvio che è necessario analizzare le esigenze dell’utenza, in funzione delle quali verrà dimensionato poi l’impianto.

Infine non bisogna dimenticare che qualunque impianto deve rispettare le normative vigenti, non solo di natura tecnica ma anche di compatibilità ambientale, pertanto il progetto in se avrà luogo solo se il sito in esame non ricade sotto vincoli di tutela paesaggistica che ne impediscano una sua installazione.

Limitandoci ai soli impianti fotovoltaici, il primo passo è valutare come già detto la produttività del sito e la convenienza economica di un eventuale impianto rapportata ai consumi elettrici sostenuti tradizionalmente dall’utenza (ovviamente tutto ciò vale per impianti che non siano strettamente necessari, laddove fossero assolutamente necessari, come nel caso di impianti non interconnessi in rete per alimentazioni di utenze non alimentabili altrimenti, l’aspetto economico cade in secondo piano rispetto all’esigenza energetica), sottoposta tale valutazione al committente ed ottenuto il via libera, si procede con la progettazione stessa.

DIAGRAMMI SOLARI

Una fase importantissima per la progettazione dell’impianto è l’analisi del percorso solare, ed a questo scopo possono venire in aiuto i diagrammi solari.

I diagrammi solari rappresentano l’altezza solare α in funzione dell’azimut γ (per maggiori spiegazioni sul significato di questi parametri si veda il seguente post) al variare dell’ora del giorno, del mese e della latitudine del luogo considerato:

diagramma-solare.gif

In tali diagrammi si riporta (in opportuna scala ed unità di misura) l’altezza dei vari elementi ombreggianti presenti, ed immediatamente è possibile valutare se durante la giornata ed al variare delle stagioni il sito dove si vuole installare l’impianto risulta ombreggiato ed in quale misura.

OMBEGGIAMENTO TRA FILE PARALLELE

Un altro parametro da tenere in considerazione è l’ombreggiamento tra file parallele di pannelli, infatti nel caso sia necessario disporre i pannelli su superfici piane su più file, bisogna tenere in considerazione che la fila che precede può ombreggiare la fila che segue, pertanto bisognerà tenere conto di una certa distanza tra le file nel posizionamento dei pannelli, distanza che riduce la superficie utile a disposizione per i pannelli stessi:

triangolo_ombre.jpg

E’ immediato valutare, a partire dall’immagine precedente, la distanza minima DT per il posizionamento delle file parallele (β maggiore di 0).

I parametri δm (pari a 23.5°) e φ rappresentano rispettivamente la declinazione al solstizio invernale (periodo di minima elevazione) e la latitudine del sito.

Per individuare la distanza minima tra le file si può fissare una condizione che rappresenta un buon equilibrio tra sfruttamento della superficie a terra ed ombreggiamento reciproco, tale condizione è quella di valutare il non ombreggiamento reciproco alle ore 12 del solstizio d’inverno.

PROGETTO DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO

Consideriamo un centro sportivo sito ad Olbia (SS), nel quale è richiesta l’installazione di un impianto fotovoltaico in grado di produrre su base annuale la stessa quantità di energia consumata, superficie a disposizione per l’impianto permettendo.

Tale progetto è stato oggetto di una esercitazione durante un corso Universitario di qualche anno fa, pertanto alcuni dati potrebbero non apparire aggiornatissimi, ma risultano comunque indicativi.

Per valutare la produttività del sito venivano forniti i dati di irraggiamento totale sul piano orizzontale e si calcolano le componenti diretta, diffusa e riflessa (ovviamente questa procedura è limitata all’essere una esercitazione, come già detto in un post precedente le norme UNI10349 forniscono le componenti diretta e diffusa separatamente).

Procedendo allo svolgimento dei calcoli presentati in due post precedenti (1 e 2) si può valutare l’angolo ottimale β del pannello (considerando un valore di albedo ρ pari a 0.3) in modo da massimizzare la radiazione raccolta per unità di superficie dal pannello (tale angolo è fortemente influenzato dalla latitudine del sito, nel caso in esame si aveva φ = 40.54°).

Nel caso in esame si otteneva un angolo ottimale pari a 30.54°.

Considerando il numero medio di ore di insolazione per i vari mesi dell’anno e valutando l’energia totale unitaria incidente sul pannello inclinato dell’angolo βott (e considerato perfettamente orientato a Sud), si ottiene la seguente tabella dove sono rappresentate l’energia totale incidente sul pannello E, il coefficiente di serenità media mensile K e la temperatura esterna media mensile TEXT m.m.:

tabella-insolazione.jpg

diagramma-insolazione.jpg

Per la realizzazione dell’impianto si vogliono utilizzare pannelli in silicio monocristallino aventi rendimento ηM pari al 13%.

Il rendimento di un pannello fotovoltaico è valutato dal produttore nel rispetto di alcune condizioni di prova, condizioni che prevedono una temperatura di riferimento di funzionamento del modulo che normalmente non corrisponde alla temperatura effettiva.

E’ quindi necessario correggere il rendimento del modulo in funzione di questo parametro mediante la seguente relazione:

ηM,EFF = ηM(1-B(TC – Trif))

dove ηM,EFF indica il rendimento effettivo del modulo fotovoltaico, ηM il rendimento fornito dal costruttore, B indica il coefficiente di scambio termico del pannello, Tc indica la temperatura operativa della cella e Trif la temperatura di riferimento (25°C) alla quale è stato valutato il rendimento dal produttore.

Tc si valuta mediante la seguente relazione, che tiene conto anche della temperatura nominale operativa della cella (NOCT) e della temperatura dell’aria (TARIA):

Tc = (219 + 832K)(NOCT – 20)/800 + TARIA

Rimane ora da tenere in considerazione un ultimo parametro definito Balance of System (BOS), il quale corregge il rendimento in modo da includere in esso perdite legate agli inverter ed all’eventuale ciclo di scarica dell’accumulatore (assente in questo caso), oltre allo sporcamento delle superfici captanti, stress termici, ecc., pertanto si ha (ipotizzando un valore piuttosto cautelativo BOS = 75%):

ηG = ηM,EFF ∙ BOS

Per l’impianto in esame vengono riportate tutte queste grandezze nella seguente tabella:

etag.png

E’ ora immediato, una volta fissate le richieste dell’utenza, valutare la superficie richiesta (ricordo che è stato stabilito di dimensionare l’impianto per una produzione media annua pari al consumo medio annuo dell’utenza):

AF = ER / (ηG ∙ E)

Dove AF rappresenta la superficie calcolata dell’impianto ed ER l’energia elettrica richiesta dall’utenza.

La seguente tabella mostra l’insieme di questi dati:

energia-prodotta-richiesta.jpg

Eseguendo la sommatoria per i vari mesi dell’energia richiesta dall’utenza e dell’energia prodotta a metro quadro dall’impianto (rispettivamente ER,M e ES,M), si può immediatamente individuare il valore della superficie richiesta:

AF = somma(ER,M)/ somma(ES,M)= 171 m2

Ovviamente per potere installare tale impianto è necessario che sul sito in questione vi sia una sufficiente superficie orientata a Sud per potere installare i vari pannelli, superficie che, come già detto in precedenza, in caso di superficie di appoggio non opportunamente inclinata, deve essere maggiorata per evitare ombreggiamenti reciproci tra le file dei pannelli.

L’analisi economica della redditività dell’impianto tiene in considerazione i costi dei pannelli e di tutti i materiali (inverter, cavi, supporti), gli eventuali incentivi economici (statali e locali) ed il costo dell’energia da acquistare dalla rete quando l’impianto produce meno delle richieste dell’utenza, oltre che il prezzo di vendita dell’energia in surplus quando l’impianto produce più della richiesta.

Il costo “chiavi in mano” di un impianto di queste dimensioni è dell’ordine dei 100.000 €.

32 Commenti »

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  • # 1
    stefanogiron
     scrive: 

    Nello stesso territorio si potrebbe alimentare un’abitazione privata con meno di 1/10 della spesa (6kW al giorno di media mi sembrano più che sufficienti).
    Considerando che
    * durante il giorno la produzione potrebbe essere in eccesso
    * l’energia che si vende dal solare fotovoltaico è acquistata a buon prezzo (mi pare quasi il doppio a causa degli incentivi)

    Quanto tempo ci si impiega a rientrare dell’investimento?
    Purtroppo questi parametri sono ancora poco conosciuti, c’è chi parla di 10anni, ne vale la candela?
    Per quanto riguarda l’inquinamento forse si, per il portafoglio? Le persone pensano prima a questo aspetto, poi all’ambiente.
    Qualcuno ha più informazioni in merito?

  • # 2
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    @ stefanogiron
    Il problema è che si parla tanto di “potenza” mentre ciò che conta è “l’energia”, come si dovrebbe capire da questo esempio di calcolo… cmq in linea di principio un “impianto domestico” si dimensiona intorno ai 3-3.5 kW di picco (si intende la potenza di picco dell’impianto, ovvero la potenza che è in grado di fornire nelle condizioni ottimali, non certo costantemente), le superfici in gioco sono dell’ordine di 20/25mq di pannelli ed il costo medio è dell’ordine dei 20000€ “chiavi in mano”… in funzione della produzione elettrica (che dipende dalla zona geografica a parità di caratteristiche dell’impianto) si ha un ritorno economico nell’ordine dei 5-7 anni, ovviamente meglio fare i conti in maniera “cautelativa”… considera che l’impianto ha una vita utile stimata di 20 anni…

    Vorrei comunque evidenziare le necessità di superficie “ben orientata” e l’importanza di riferirsi all’energia e non alla potenza.

    Pensavo comunque di scriver il prossimo post trattando gli aspetti economici, le incentivazioni e parlare anche dell'”energy payback time”… che ne pensate?

  • # 3
    arkanoid
     scrive: 

    5-7 anni per quella che è la mia esperienza sono pochi, difficilmente mi è capitato di vedere valutazioni di redditività prima di 12 anni (considerando tutti i benefit di cui ti dicevo nel tuo precedente articolo), ma nel residenziale non ho granchè sensibilità.
    Mi confermi che nei piccoli impianti, dell’ordine di 1 kWp come è attualmente obbligatorio per il residenziale, si ha una redditività dopo solo così poco tempo?

  • # 4
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    @ Arkanoid

    Il problema è che spesso paghi anche più delle cifre che ho esposto… ormai troppi (senza competenza) si occupano di fotovoltaico visto il grosso business che ha creato… se installo a cari prezzo inverter che “non valgono la cifra”, vendo pannelli di bassa qualità facendoli pagare come se fossero “il top” ti ritrovi a spendere tanto e non avere nemmeno lontanamente la produzione e l’affidabilità di un impianto fatto con tutti i criteri., poi può capitare che l’impianto venga ombreggiato (o per la poca cura progettuale, o per la ostruzione di un edificio nel campo di insolazione)… questi dati valgono come indicativi (infatti suggerisco di tenersi sempre cautelativi, se viene indicato 5 anni si pensi a 7, al limite si avrà una bella sorpresa se dovessero essere 5) per impianti progettati “allo stato dell’arte” e realizzati allo stesso modo…

  • # 5
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    @ Arkanoid ed eventuali nuovi lettori

    A proposito dell’idea di scrivere un post “su incentivi ecc” che ne pensate?

  • # 6
    arkanoid
     scrive: 

    Se ci riesci ben venga! Però la casistica è molto vasta, se te la vedi sarebbe interessante, anche se forse all’utente finale poco utile tanto di queste cose se ne occupano i professionisti.

  • # 7
    stefanogiron
     scrive: 

    @simone
    Non sarebbe male, il problema di questi impianti è anche la disinformazione riguardo le normative vigenti in materia di Incentivi. Molta gente scarta il discorso solo perchè sente parlare di costi e non hanno voglia d’informarsi oltre.

  • # 8
    Proton
     scrive: 

    In questa fase non vincolerei mai e poi mai 20 anni di arbitrio su una mia proprietà (senza contare cheil conto energia opportunamente dealchemizzato è un mutuo) per investire su una tecnologia in evoluzione. 20 anni di vincoli… ma nei prossimi 10 anni (consideriamo tempo ragionevole per recuperare l’investimento) i rendimenti saliranno e i costi scenderanno (questo è fatale) e, assai probabile, altre tecnologie concorrenti troveranno la laoro ragion d’essere in termini prima industriali e poi commerciali. Conviene forse a chi ha un capannone industriale e accesso a certi fondi e ovviamente a chi installa. All’utente domestico non credo proprio.

  • # 9
    arkanoid
     scrive: 

    infatti ora come ora il vf non è un investimento per chi ne ha pochi

  • # 10
    Massive
     scrive: 

    Certamente sarebbe interessante un post sugli incentivi, anche post su pannelli non fissi e su impianti fai da te.

  • # 11
    arkanoid
     scrive: 

    penso che anche gli impiantini domestici ricadano dentro l’obbligo di presentazione di 37/08, in tal caso il fai da te credo non sia praticabile.

  • # 12
    Gol.D.Roger
     scrive: 

    Sarebbe una bella cosa avere finalmente un articolo in cui si trattano i costi degli impianti. Si parla sempre e tanto solo a livello superficiale dell’aspetto economico, oltretutto sarebbe bello avere dei confronti, si si riesce, sui costi di installazione dei diversi pannelli tipo: silicio amorfo, monocristallino o eterogiunzione GaAs, senza andare su indio o altri materiali per applicazioni spaziali. Visti i costi diversi dei materiali e le differenti efficienze capire anche quanto poi in larga scala sia possibile l’impiego del fotovoltaico…

  • # 13
    Dr Z
     scrive: 

    parlando in soldoni
    impianto 3kw a bs meno di 20000 euro. nei mesi più caldi mi rende 500 euro, nei mesi più freddi 350/400 euro a trimestre.
    Ovviamente avendo l’impianto al sud il rendimento sarebbe maggiore.
    sto aprendo una società per un impianto da 1mw, a breve vi aggiornerò.

  • # 14
    arkanoid
     scrive: 

    Dr Z che tipo di contratto hai?

  • # 15
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    Rispondo un pò a tutti insieme… il FV può essere un investimento nei limiti esposti nell’articolo… se si vuole un metodo per fare soldi facili ed in fretta mi pare che l’alternativa sia il superenalotto, perchè anche fondi di investimento e compagnia non sembra (visto tutto ciò che è avvenuto negli ultimi tempi) molto sicuro e redditizio… allo stato attuale l’incentivazione non è malaccio, bisogna tenere conto che la tariffa incentivante và diminuendo con gli anni, non credo si continuerà in eterno… anche perchè i costi scenderanno e cresceranno i rendimenti (come è stato detto in un commento, e come di fatto sta avvenendo)… per quanto riguarda il “fai da te”, questo non è possibile se devi connetterti in rete, perchè non ti viene nemmeno dato l’allaccio dell’impianto se non rispetti la normativa…

    I costi delle varie tecnologie sono variabili, il silicio amorfo (perlomeno quello “standard”) costa poco e produce poco, i costi crescono passando al policristallino e poi al monocristallino, ma si riducono anche le superfici necessarie a parità di potenza di picco dell’impianto, quantificare i costi è sempre un’impresa complessa, perchè certe cifre sono semplicemente indicative…

    Un punto che ritengo importante (e su cui pensavo di trovare commenti) è evidenziare il grosso fabbisogno di superficie ben orientata e sgombra da ombre per questi tipi di impianti, impianti che “allo stato attuale” non sono utilizzabili per una “produzione di massa” dell’energia elettrica, bensì per una parziale riduzione della richiesta dalla rete per le utenze piccole e medie utenze

  • # 16
    arkanoid
     scrive: 

    A questo è certo.
    A titolo indicativo, recentemente mi è capitato di dover progettare un campo solare termico che sui disegni doveva poter essere di tot, ma in seguito ad un sopralluogo sulla copertura dell’edificio in costruzione si è verificato dovesse essere ben più piccolo a causa di ombre riportate a destra e a manca e ai percorsi di manutenzione che dove erano previsti non erano realizzabili.

  • # 17
    Dr Z
     scrive: 

    @ arkanoid

    il classico “conto energia”…

  • # 18
    Fausto
     scrive: 

    @Proton
    non direi….il fv conviene a tutti…fattelo dire dalle oltre 40000 famiglie che ne stanno godendo i benefici!
    Tu puoi anceh aspettare…ma se fai così scardati gli incentivi che dal 2014 probabilmente non ci saranno più e allora l’impianto te lo dovrai pagare te. Ti consiglio di informarti meglio perchè no credo tu abbia capito come funzione il fv.
    @Dr Z
    complimenti per la tua iniziativa. Solo due consigli. Se
    l’impianto lo fai a scopo speculativo ti consiglio un terreno a partire dal sud della toscana in giù. Assicurati cehe l’impianto venga collaudato entro dicembre del prossimo anno perchè le tariffe per i grossi impianti da gennaio 2011 si abbasseranno parecchio.
    Se non è a scopo speculativo fallo a prescindere perchè il risparmio energetico compensa il calo della tariffa.

    Ciao

  • # 19
    Fausto
     scrive: 

    @Simone
    concordo con te. purtroppo visto che il fv è uno dei pochi mercati che tira, si sono messi a farli tutti a prezzi a volte stracciati (un tot a KWp….manco fosero mele vendute a peso al mercato) per compensare la scarsa esperienza e professionalità che invece in questo settore è determinate; un impianto che produce meno porta meno introiti!!!!

  • # 20
    Dr Z
     scrive: 

    @ Fausto
    sono d’accordo, ma avendo un terreno di proprietà lo faremo a bs.

  • # 21
    Dr Z
     scrive: 

    mex numero 13
    ho detto una cazzata… l’impianto sarà di 100kw e non di 1mw… sarebbero cifre un po’ troppo alte…

  • # 22
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    @ Dr Z
    In effetti per un impianto da 1MW sono parecchi i soldi che servono… posso dirti che un mio amico che lavora per un’azienda Milanese che fornisce impianti chiavi in mano ha “venduto” un impianto da 1MW a film sottile in Sardegna per circa 4Milioni di €

  • # 23
    Nicola
     scrive: 

    ho un amico ingegnere che fa questo lavoro. forse apriremo una società specializzata. sono ingegnere informatico,attualmente lavoro come programmatore, ma questo settore mi ha sempre affascinato.

    cercherò di seguire le discussioni su questo sito ed eventualmente portare le mie esperienze

  • # 24
    Energia dal Sole: progetto di un impianto solare termico - Appunti Digitali
     scrive: 

    […] impiegata per valutare l’irraggiamento del sito è quella già esposta nel post “Energia dal Sole: progetto di un impianto fotovoltaico, che viene ora riproposta integralmente: Consideriamo un centro sportivo sito ad Olbia (SS), nel […]

  • # 25
    Paolo
     scrive: 

    ciao Simone, sono uno studente di ingegneria che sta facendo una tesi di ottimizzazione di un sistema trigenerativo domestico: siccome stavo considerando l’ipotesi di abbinare anche un sistema fotovoltaico (oltre ad uno solare termico) potresti dirmi dove potrei trovare dei dati di irraggiamento solare e coefficiente di serenità come ci sono nelle tabelle che hai messo per le varie località d’italia? sto cercando di implementare tutto in un programma di simulazione.
    Grazie in anticipo e scusa il disturbo

  • # 26
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    Ciao Paolo, i dati li trovi sia sul sito dell’ENEA (ma necessitano di qualche calcolo sulla quota diffusa se non sbaglio), oppure trovi le tabelle nei vari programmi allegati ai testi che trattano il fotovoltaico… prova a controllare sul sito ENEA e fammi sapere se sono sufficienti, altrimenti vedo cosa posso fare…

  • # 27
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ Paolo

    Buona fortuna per la tesi!!!… sarei anche curioso di leggerla… la trigenerazione è un mio pallino, anche in virtù dell’impiego di MCI a basse emissioni (dei quali ho iniziato a parlare nei post più recenti) sui quali faccio ricerca

  • # 28
    Paolo
     scrive: 

    ciao Simone, innanzitutto ti ringrazio per avermi risposto.
    Come mi avevi detto tu, sul sito solaritaly.enea.it si poteva avere un calcolo dell’irraggiamento solare in base alla località: purtroppo però, stando a quello che c’è scritto, i dati si basano sugli anni 95-99, ed inoltre non si accenna a parametri come l’indice di serenità K e quello di scambio termico B del pannello.
    Dici che ci sono sui libri questi dati per anni più recenti?
    Grazie ancora per tutto!

  • # 29
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ Paolo

    Un qualunque testo nel quale sia incluso un codice per il dimensionamento degli impianti dispone di tutte le mappe di irraggiamento (aggiornate non so fino a che anni, ma di fatto più il periodo è lungo e maggiore è l’effetto “media”, caratteristica ottimale vista l’estrema variabilità dell’irraggiamento)… quelle mappe però non so se siano estraibili dal programma o se tu le possa solamente utilizzare dallo stesso… si trova qualcosa anche su google… il parametro B (beta) dipende invece dal tipo di cella, per il monocristallino è in genere 0.004K^-1, ma non so garantirti se questo dipende solo dal materiale(silicio monocristallino, policristallino, amorfo) od anche dalla costruzione della cella (e quindi variare da produttore a produttore)… ma penso sia la prima e pertanto resti quello

  • # 30
    kristian
     scrive: 

    Ciao Simone, sono uno studente di ingegneria e mi stavo cimentando nel calcolo dei percorsi solari in ambiente Matlab ed ho visto che il grafico del tuo articolo è fatto attraverso il software citato. Volevo chiederti se l’hai fatto tu e se mi potevi aiutare magari fornendomi il codice. Ciao e grazie.

  • # 31
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ kristian

    Ciao kristian, non ho realizzato io quei diagrammi, ma non è difficile ottenerli… trovi maggiori informazioni su questo post:

    http://www.appuntidigitali.it/4406/energia-dal-sole-quadro-generale-ed-irraggiamento-extraterrestre/

    Manca giusto l’equazione dell’ora solare (hsol) ma non ti dovrebbe essere difficile trovarla in rete, nel caso avessi difficoltà dimmelo

  • # 32
    kristian
     scrive: 

    @Simone

    Ti ringrazio della disponibilità, ho dato una letta e credo di aver capito i calcoli da eseguire. La parte più problematica saranno forse le istruzioni del plotting ma qui siamo fuori tema.
    Ciao e di nuovo grazie!

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