Le abitazioni o utenze non raggiungibili con la normale fornitura elettrica necessitano di un impianto fotovoltaico a isola o stand alone. Vediamo come va dimensionato correttamente un impianto fotovoltaico.

La realizzazione di un impianto fotovoltaico in isola

La realizzazione di un impianto fotovoltaico in isola è solitamente legata ad abitazioni o utenze non raggiungibili con la normale fornitura elettrica quali, ad esempio, baite di montagna, centraline di monitoraggio ambientale, capanni boschivi, ecc. Nel dimensionamento dell’impianto è necessario definire l’autonomia energetica di cui devono disporre le utenze alimentate e, approvvigionarsi di alcuni componenti fondamentali al corretto funzionamento del sistema; i più importanti sono:

• i moduli fotovoltaici e le relative strutture di sostegno;
• la batteria di accumulatori;
• il regolatore di carica;
• l’eventuale convertitore cc/ca, per le utenze funzionanti in ca.

Analisi del fabbisogno energetico

Poiché l’impianto fotovoltaico produce in corrente continua, gli apparecchi utilizzatori, se idonei, possono essere alimentati direttamente in continua; in alternativa, se le utenze richiedono alimentazione in corrente alternata, l’impianto deve essere corredato di un inverter per la conversione cc/ac. Per quanto riguarda le loro caratteristiche elettriche e i relativi periodi di funzionamento, in assenza di dati più specifici, possiamo utilizzare come riferimento la tabella 1 qui sotto (tratta dalla Norma CEI 64-57):

Orientamento e inclinazione dei moduli

Il generatore fotovoltaico deve essere esposto alla radiazione solare e l’inclinazione dei moduli sul piano orizzontale deve essere tale da massimizzare l’energia prodotta dal si fotovoltaico nei mesi in cui è richiesta la massima erogazione di energia elettrica. Occorre pertanto verificare l’orientamento di installazione e l’inclinazione dei moduli rispetto all’orizzonte. Per quanto riguarda l’orientamento, chiaramente quello verso sud è sempre preferenziale, in quanto il percorso del sole va, nei periodi degli equinozi (21 marzo-23 settembre), esattamente dal punto cardinale EST al punto cardinale OVEST passando per il SUD ad una declinazione diversa a seconda della latitudine del luogo.

Per quanto riguarda l’inclinazione dei moduli, i dati di irraggiamento globale sul territorio italiano, analizzati su scala annua, evidenziano che l’inclinazione a resa più alta è quella di 30° rispetto all’orizzonte con orientamento verso SUD. Se tuttavia è necessario alimentare le utenze anche durante il periodo invernale, potrebbe risultare opportuno aumentare l’inclinazione dei moduli proprio per massimizzare la resa in questo periodo a discapito di quello estivo quando, probabilmente, la produzione sarebbe sovrabbondante rispetto al carico sotteso.

Nota: l’ideale sarebbe poter modificare l’orientamento dei pannelli nell’arco della giornata e la loro inclinazione nei vari periodi dell’anno. Ovviamente detta modalità comporta costi di prima realizzazione e di gestione importanti, per cui vi si ricorre solo in casi particolari.

Dimensionamento dei moduli

Nell’effettuare il dimensionamento dei moduli fotovoltaici necessari, occorre sempre partire dal presupposto che l’energia prodotta giornalmente dal generatore deve essere uguale o superiore a quella necessaria per alimentare il carico (Ecar); quest’ipotesi può venire meno se è previsto un utilizzo parziale delle utenze (ad esempio solo nel fine settimana).

L’energia producibile giornalmente dall’impianto (Egp) è facilmente calcolabile mediante i classici software di produzione fotovoltaica, oggi disponibili anche gratuitamente online; il valore di Egp da considerare è quello di minima producibilità nell’arco dell’anno (ovviamente quando sia previsto l’utilizzo delle utenze). Può risultare infine opportuno ridurre il valore fornito dai vari software con un coefficiente cautelativo che tenga conto di eventuali ombreggiamenti (ad esempio diminuire il valore proposto dal software di un 10%).

Dimensionamento del pacco batterie

Questa operazione serve per calcolare correttamente la capacità delle batterie, in quanto esse sono la risorsa disponibile dal tramonto del sole e in tutti i periodi nei quali la presenza di luce solare è ridotta al minimo o completamente assente. È infatti evidente che, nei periodi di parziale o mancata produzione dell’impianto, parte o tutta l’energia occorrente deve essere fornita dalle batterie, le quali devono essere dimensionate per fornire l’energia mancante nel periodo previsto, tenendo conto dell’eventuale periodo di scorta che si voglia considerare e dei coefficienti che tengano conto del rendimento di carica-scarica delle batterie e della profondità di scarica.

Si può pertanto utilizzare la seguente formula per il calcolo della capacità delle batterie:

Cb = ((E_car – E_gp) * Gu + (E_car * Gs)) / (Vn * Kcs * Kps)

Dove:

Cb= capacità della batteria;
Ecar= energia giornaliera richiesta dal carico;
Egp= energia giornaliera prodotta dall’impianto nel periodo a minor produzione;
Gu= giorni di utilizzo settimanale delle utenze (in numero);
Gs= giorni di scorta (in numero);
Vn= tensione nominale dell’impianto;
Kcs= rendimento di carica-scarica (valore compreso tra 0,5 e 0,9 – generalmente 0,85);
Kps= coefficiente di scarica (valore compreso tra 0 e 1, in genere 0,8).

Nota 1: il parametro (Ecar – Egp) * Gu deve essere considerato solo se è previsto un utilizzo parziale delle utenze (cioè quando è possibile che l’energia assorbita giornalmente dal carico sia maggiore di quella giornalmente prodotta dall’impianto).

Nota 2: l’alimentazione in orario notturno è ovviamente garantita dall’autonomia di scorta