Un impianto fotovoltaico, altro non è che un impianto elettrico in cui specifici dispositivi elettronici opportunamente assemblati e cablati consentono di sfruttare l’energia prodotta dall’irraggiamento solare per produrre energia elettrica, sfruttando l’effetto fotovoltaico.
Gli specifici componenti sono: i ben noti pannelli fotovoltaici costituiti da un insieme di “celle fotovoltaiche” che per mezzo dell’effetto fotovoltaico, producono energia elettrica, poi abbiamo,poi in funzione del tipo di impianto (stand alone o grid connect) si possono incontrare: il regolatore di carica che gestisce appunto la carica a riposo dell’altro componente appunto le batterie necessarie per mantenere energia in assenza di illuminamento, ed il convertitore DC/AC o Inverter che converte la corrente continua (direct current) prodotta dal sistema fotovoltaico in corrente alternata (alternative current) per utilizzo dei comuni dispositivi elettronici. Dopo i pannelli fotovoltaici (quadro di campo) e dopo il regolatore di carica (quadro utente) ci sono due quadri elettrici di gestione dell’impianto fotovoltaico, interruttori automatici di potenza, e dispositivi di interfaccia.
Si è detto che i dispositivi presenti in un sistema fotovoltaico possono variare in funzione della sua tipologia,infatti gli impianti fotovoltaici possono essere di due tipi : grid connect o stand alone.
Nel sistema grid connect l’impianto fotovoltaico può alimentare un impianto utilizzatore e al contempo riversare nella rete elettrica la quantità di energia che ha in eccesso.
In questo tipo di impianto si avranno altri dispositivi, quali i “misuratori di energia elettrica”, cioè dei contatori che eseguono la telettura dell’energia prodotta dall’impianto fotovoltaico (d’ora in avanti PV ) e di quella scambiata con la rete di energia elettrica, il tutto secondo un contratto utente stipulato con il Gestore Servizi Elettrici GSE il quale gestisce la distribuzione commerciale dell’energia elettrica , da non confondere con il distributore (ENEL) che si occupa di quella fisica.
Oltre ai dispositivi di misura, sono presenti altri dispositivi di sezionamento, quali l’interruttore generale automatico magnetotermico (DG), che separa l’impianto utilizzatore dalla rete; il dispositivo di interfaccia ovvero un ulteriore interruttore che separa l’impianto PV dal resto dell’utilizzatore, controllato da un sistema di protezione di interfaccia (SPI) che in caso i valori di tensione (>20%) e frequenza (tolleranza 0,6%-0,2%) siano fuori dai valori consentiti, interviene in tempi rapidi (0,1 s) il dispositivo SPI aprendo il DI.
Un ulteriore dispositivo è l’ interruttore automatico che separa l’intero campo o parte dal resto dell’impianto (DDG).
Fermo restando il fatto che gli impianti di tipo “grid connetct” richiedano una trattazione più ampia per molti aspetti, quanto brevemente riportato vuole solo rendere l’idea di questi impianti, che consentono all’utente di utilizzare l’energia prodotta dai pannelli PV, e di cedere sulla rete elettrica quella in eccesso, o contrariamente all’occorrenza prelevarne in caso di necessità.
…ed ora stand alone …
Differente invece è l’impianto PV di tipo “stand alone” o in isola, quello che interessa questa presentazione, e che consente di utilizzare in autonomia la quantità di energia elettrica che il sistema PV produce, risulta essere di realizzazione più semplice e non necessita di dispositivi di interfaccia con la rete elettrica, pertanto lo schema risulterà altresì semplificato.
L’impianto PV stand alone, è il tipo considerato nella realizzazione di questa breve presentazione, dove si vuole mostrare la realizzazione di un “piccolo impianto stand alone” realizzato con i dispostivi che andiamo ad illustrare : utilizza un pannello PV della potenza di 5,5 Wpp
Una verifica, seppur spannometrica dei parametri fondamentali del pannello PV, va fatta, del resto è facilmente eseguibile in condizioni di illuminamento max, (ore 12 00 bellissima giornata di sole con pannello in verticale che non è il max…) aiutandosi con un multimetro digitale, portandolo in portata Vdc si può misurare la tensione a vuoto Voc portanto il pannello in condizioni di max illuminamento:
e misurando la corrente di corto circutio Isc con il multimetro in portata Adc con fondo scala 10 A si potrà misurare
per poi confrontarle con i dati di targa del pannello, è un modo per verificare l’attendibilità dei dati di targa. 
questo piccolo impianto stand alone, viene dall’idea di avere disponibile una luce di cortesia notturna in un preciso punto ed energeticamente autonoma,utilizzando allo scopo come punto luce un power led con caratteristiche di alimentazione 12 V 0,5 A,
pertanto non necessita di dispositivo inverter.
La polarizzazione del diodo led è ottenuta per mezzo di un resistore dimensionato in funzione della tensione diretta Vf del diodo (3V) e dell’intensità di corrente If (50 mA) scelta, pertanto considerando 12 V la tensione Va di alimentazione il resistore Rled si dimensiona con l’espressione nota come la legge di Ohm per i circuiti elettrici :
[math]R_{led}=\frac{V_{a}-V_{f}}{I_{f}}= \frac{12-3}{0,05}= 180 \Omega[/math]
e la sua potenza in watt sarà
[math]P_{R_{led}} =180\cdot 0,05^{2}=0,45W[/math]
quindi un resistore da 1/2 W 180 ohm risponde alle nostre necessità …
Sarà presente un ulteriore dispositivo che gestirà l’accensione-spegnimento della lampada al crepuscolo: un interruttore crepuscolare, autocostruito (…lo so, esistono già belli che pronti, ma vuoi mettere il piacere di autocostruirtelo…
) utilizzando famigerato circuito integrato NE555 ed una fotoresistenza come sensore
che comanderà in accensione la lampada quando sarà buio, alimentandola dall’energia presa da una batteria,
che durante il giorno sarà caricata dal pannello PV, fase questa controllata da un ultimo dispositivo il “regolatore di carica”, che come suggerisce il nome stesso ha il compito di caricare la batteria senza sovraccaricarla, e fare in modo che la sua scarica non sia eccessiva, quindi protegge la batteria, ed al contempo protegge il pannello PV da possibili correnti di ritorno. Su questo dispositivo ci torneremo con una successiva trattazione, per ora ci è sufficiente sapere che la sua utilizzazione è prevista per impianti di poco costo e con piccole batterie
quindi il nostro schema diventerà :
o meglio….
Il funzionamento dell’impianto è molto semplice, quando il pannello è illuminato, di giorno, genera un determinato valore di tensione continua, che servirà a caricare la batteria, e per evitare che questa si sovraccarichi si inserisce fra i due il regolatore di carica che protegge al contempo il pannello PV, evitando che dalla batteria possa tornare tensione verso il pannello fotovoltaico, perché al buio questo non essendo illuminato si comporta come una resistenza e verrebbe danneggiato se alimentato dalle batterie e quest’ultime verrebbero scaricate, il regolatore di carica in tal senso svolge una funzione di “diodo di blocco”, durante la notte, quindi con il buio interviene il sensore del crepuscolare che attiva l’uscita della tensione di alimentazione dal regolatore di carica, e quindi dalla batteria verso il power led che si accenderà, fino al successivo intervento del crepuscolare , ovvero all’alba che rilevando la luce aprirà il circuito di alimentazione verso il power led spengendolo, così da consentire al pannello PV di ricaricare la batteria attraverso il regolatore di carica.
..da non trascurare…
Non è questo il caso essendo un piccolissimo impianto dimostrativo, ma occorre precisare che negli impianti stand alone è necessario inserire tra il/i pannello/i PV un interruttore bipolare per poter aprire l’alimentazione verso l’impianto in caso di necessità o guasto, è altresì importante inserire sul positivo delle batterie una protezione di sovraccarico o cortocircuito quale ad esempio i fusibili, e nel caso si abbia la necessità di collegare più stringhe di pannelli in parallelo è consigliabile inserire un diodo di blocco in ogni stringa, ed infine una protezione attraverso SPD andrebbe considerata verso il regolatore di carica.
Ci rientriamo con i consumi e la ricarica ?…
Si sarebbe dovuto far prima della realizzazione, uno studio di fattibilità o prestazione del piccolo impianto per vedere l’energia necessaria del pannello PV e della batteria, per soddisfare l’alimentazione necessaria al led per il tempo richiesto ; ma avendo fatto delle considerazioni a spanne prima (errato…non fatelo … ), al contrario lo faccio ora come verifica.
La produzione di energia del pannello fotovoltaico dipende da diversi elementi, semplificando consideriamo solamente il grado di irraggiamento medio ovvero la quantità di luce che arriva sul pannello PV medio nel mese è una dato reperibile da tabelle come quella presente nel sito http://clisun.casaccia.enea.it nel quale preleviamo il dato che ci interessa, ovvero di 5522 MJ/m2 che dividendolo per 3,6 otterremo 1533,8 kWh/m2 ,questo dato sta ad indicare che con un pannello di superficie utile di 1m2 potrà produrre in un anno fino a 1533,8 kWh/m2 per il suo rendimento, questo in teoria.
Ora il pannello che ho utilizzato ha una superficie utile (celle PV) pari a 0,04 m2 ed un rendimento pari a 8,7%, pertanto la sua produzione teorica sarà
[math]1533,8\cdot 0,04\cdot \frac{8,7}{100}= 5,3 kWh[/math] anno
O meglio di 14,52 Wh al giorno, che se dividiamo per i watt del pannello (5,5W) otteniamo 2,6 h al giorno di insolazione massima sul nostro pannello. Da non trascurare che questi parametri considerano il pannello PV su piano orizzontale e con inclinazione corretta verso il sole.
La batteria che ho utilizzato fornisce una tensione di 12V ed ha una capacità di 2,3 Ah, in una giornata di insolazione massima per 2,6 h accumulerà 0,832 A o 14,4 Wh.
In questi calcoli non si è tenuto conto della caduta di tensione che offre il regolatore di carica ed eventuali perdite di energia da parte della batteria per possibili problemi di temperatura considerando che la sua energia è generata per mezzo di un processo elettrolitico a cui la temperatura non concorre al processo di carica.
Il diodo led che si è utilizzato come luce di cortesia, si è scelto di pilotarlo con una intensità di corrente di 0,05 A alla tensione di 12 V che per 14 h di utilizzo equivale ad una potenza assorbita di 8,4 W, fermo restando che si tratta di un power led che in regola dovrebbe essere polarizzato con una intensità di corrente pari a 0,350 A perché renda il massimo, ma in questo caso la sua intensità luminosa è sufficiente allo scopo: luce di cortesia.
Quindi considerando i risultati, e ammesso di non aver fatto errori nei calcoli e nelle valutazioni, il sistema dovrebbe illuminare nelle ore notturne e ricaricarsi nelle ore diurne.
Ovviamente questa esposizione è a puro titolo hobbystico e didattico pertanto per le specifiche valutazioni ed approfondimenti rimando la trattazione al Prof. di Laboratorio o al singolo interessato, e comunque resto a disposizione per eventuali correzioni, suggerimenti e/o miglioramenti dell’esposizione e della realizzazione.
Nell’esposizione si è fatto riferimento ad alcuni contenuti di Wikipedia e di altri link citati nell’esposizione.In una prossima esposizione cercherò di illustrare meglio i componenti del sistema PV stand alone.
