Nel tardo pomeriggio di una domenica i vigili del fuoco della contea di Kern hanno risposto a una chiamata da un negozio sulla Rosedale Highway a Bakersfield, in California. Le squadre intervenute hanno scoperto che una fila di pannelli solari sul tetto aveva preso fuoco. Alcuni dei pannelli erano ancora funzionanti all’arrivo delle squadre di intervento, per cui i vigili hanno dovuto prendere molte precauzioni fino a quando non è stato possibile scollegare l’alimentazione elettrica.
Concetti fondamentali per l’installazione degli impianti fotovoltaici
Sostanzialmente un impianto di energia solare utilizza dei pannelli fotovoltaici (FV) per raccogliere la luce solare. L’array fotovoltaico fornisce tensione CC a un inverter, il quale la converte in CA. Alcune installazioni sono dotate di batterie di accumulo, unità di commutazione per il trasferimento automatico, apparecchiature di monitoraggio e misurazione nonché dispositivi che consentono di reimmettere l’elettricità nella rete.
Fortunatamente le squadre hanno domato rapidamente l’incendio che non è penetrato nella lamiera del tetto. I vigili hanno sgomberato il negozio, che ha riaperto circa quattro ore dopo la chiamata. La lezione da imparare da questo evento non è che l’energia solare sia pericolosa o non sia sicura; è sensibilizzare sulla sicurezza quando si lavora con impianti fotovoltaici. Mentre i vigili del fuoco e i primi soccorritori devono sapere come disconnettere in sicurezza l’elettricità per garantire la sicurezza del personale di emergenza e consentire l’uscita, i tecnici di manutenzione della struttura devono sapere come mantenere il flusso di elettricità in modo sicuro e affidabile.
Nozioni sulle configurazioni degli impianti fotovoltaici
Una tipica cella fotovoltaica commerciale con una superficie di 160 cm2 (25 pollici quadrati) produce circa 2 watt di potenza in condizioni di luce solare di picco. Se l’intensità della luce solare è pari al 40 percento del picco, la cella produce circa 0,8 watt. Per diventare utili come sorgente di energia elettrica, le celle fotovoltaiche devono essere collegate in configurazioni di circuito in serie e in parallelo per produrre tensioni e corrente più elevate. Collegando i moduli in serie in modo da creare delle "stringhe" si aumenta la tensione, mentre collegando le stringhe in parallelo si aumenta la corrente. Un array di 30 moduli può produrre 4 kilowatt.
I produttori integrano i circuiti delle celle fotovoltaiche in laminati sigillati e resistenti all'ambiente per realizzare i moduli fotovoltaici, gli elementi base dei sistemi di generazione fotovoltaica. I pannelli fotovoltaici includono diversi moduli fotovoltaici assemblati e precablati per essere installabili sul campo. Un array fotovoltaico è un’unità completa che genera potenza, che può includere qualsiasi numero di moduli e pannelli fotovoltaici.
Il ruolo degli impianti fotovoltaici nella generazione di energia
Gli impianti fotovoltaici possono fornire energia supplementare per abitazioni, aziende, comuni, installazioni militari o chiunque sia disposto a impegnarsi a investire. Il fotovoltaico può essere la sorgente di alimentazione principale per i sistemi remoti, ad esempio nelle industrie di processo di tipo pipeline e in situazioni temporanee di lavoro sul campo. Sebbene la maggior parte delle informazioni contenute in questo articolo si applichi sia alle installazioni fotovoltaiche residenziali che a quelle commerciali, l’attenzione principale è rivolta alle installazioni fotovoltaiche commerciali. Di solito i sistemi residenziali differiscono solo per le dimensioni. I principi operativi e le configurazioni sono molto simili. I sistemi commerciali tendono a essere più complessi, ma non è sempre così.
Posizionamento e funzionamento degli array fotovoltaici
Gli array fotovoltaici possono essere collocati sul tetto di una struttura, come nel caso del negozio di Bakersfield, o su terreni adiacenti alla struttura. In genere, gli array di impianti a energia solare richiedono da tre a cinque acri (12.000 - 20.000 mq circa) per megawatt. Gli array montati su tetti ed edifici permettonio di sfruttare al meglio la luce solare disponibile per un sito. Tuttavia, è necessario considerare il pericolo di infiltrazioni e il carico sul tetto, nonché le relative conseguenze.
La base concettuale di quasi tutti gli impianti di energia solare utili inizia con i pannelli fotovoltaici che raccolgono la luce solare. L’array FV fornisce tensione CC a un inverter, che la converte in CA a 60 Hz. La corrente alternata proveniente dall’inverter fornisce energia al sito o all’abitazione.
Ovviamente mancano alcuni elementi importanti per rendere questo sistema di esempio utile e sicuro. A seconda dei requisiti del sito, un sistema può anche includere vari di dispositivi di commutazione e protezione in CC, come combiner box in CC, interruttori automatici, sezionatori e contattori. Gli inverter sono disponibili in molte configurazioni e gamme di potenza. (Una combiner box è una cassetta di giunzione utilizzata come punto di collegamento in parallelo per due o più circuiti). Alcune grandi installazioni utilizzano più inverter. Un sistema “reale” comprende anche dispositivi di commutazione e protezione in CA come quadri elettrici e di distribuzione, sezionatori, interruttori automatici, gruppi di comando in bassa e media tensione e trasformatori di bassa e media tensione. Alcune installazioni sono inoltre dotate di batterie, unità di commutazione per il trasferimento automatico, apparecchiature di monitoraggio e misurazione nonché dispositivi che consentono di reimmettere l’elettricità nella rete. I requisiti funzionali e operativi, le configurazioni dei componenti e il modo in cui l’apparecchiatura si collega ad altre sorgenti di alimentazione e carichi elettrici determinano le classificazioni dei sistemi di alimentazione fotovoltaica. Le due classificazioni principali sono i sistemi collegati alla rete (o a funzionamento interattivo con i fornitori) e i sistemi autonomi.
I sistemi collegati in rete funzionano quando sono interconnessi con la rete elettrica. Oltre all’array FV stesso, il componente principale in un sistema collegato alla rete è l’inverter. Il sistema fotovoltaico, in particolare l’inverter, si interfaccia in modo bidirezionale con la rete elettrica, in genere in corrispondenza di un quadro di distribuzione in loco o di un punto di allacciamento.
Gli impianti fotovoltaici autonomi funzionano indipendentemente dalla rete elettrica. Le strutture che utilizzano un sistema fotovoltaico autonomo in genere utilizzano batterie per l’accumulo di energia. Le batterie immagazzinano energia dall’impianto fotovoltaico durante il giorno e forniscono energia ai carichi elettrici durante la notte o nei giorni nuvolosi. Le batterie aiutano inoltre a stabilizzare la tensione del sistema e a fornire corrente di picco ai carichi elettrici, se necessario. In genere, i controllori per la carica della batteria proteggono le batterie da sovraccarichi e surriscaldamento.
Differenze degli impianti fotovoltaici rispetto all’elettricità fornita dai gestori della rete - Componenti degli impianti elettrici fotovoltaici
L’ovvia differenza tra gli impianti elettrici fotovoltaici e l’elettricità fornita tramite gestore è che gli array fotovoltaici generano corrente continua. L’elettricità generata non diventa corrente alternata finché non viene elaborata dall’inverter. Alcune installazioni fotovoltaiche sono necessariamente in CC, il che richiede tipi di componenti diversi rispetto alle installazioni in CA. I componenti degli impianti fotovoltaici che non si trovano nei sistemi CA includono scatole di combinazione e interruttori di sezionamento CC.
Le scatole di combinazione solari aggregano l’alimentazione in CC proveniente dall’array fotovoltaico e forniscono protezione da sovracorrente secondo i requisiti del National Electrical Code (NEC). I singoli ingressi si collegano ai portafusibili. I lati del carico dei portafusibili si collegano tra loro per formare una sbarra o bus comune, che si collega ai capicorda di uscita. Le scatole di combinazione sono combinatori di sorgenti o combinatori di array. I combinatori di sorgenti si trovano più vicino ai pannelli fotovoltaici. I combinatori di array, o re-combiner, aggregano le uscite da diversi combinatori di sorgenti in un unico circuito e si trovano in grandi installazioni. I combinatori di array hanno portafusibili di ingresso di potenza maggiore e una corrente di uscita più elevata.
In genere, gli impianti fotovoltaici generano una tensione compresa tra 400 V CC e 600 V CC, una tensione molto più elevata rispetto alla maggior parte dei sistemi presenti negli edifici. La combinazione di questa tensione più elevata con la mancanza di un’onda sinusoidale di corrente con attraversamento dello zero, pone diverse sfide di progettazione dei sistemi e relativi componenti e cablaggio, in particolare quando si attivano e disattivano questi circuiti CC. Rispetto ai sistemi in CA con onda sinusoidale di corrente con attraversamento dello zero, l’interruzione di circuiti CC a tensione più elevata richiede un maggiore traferro per interrompere e spezzare gli archi elettrici in modo sicuro e rapido. Il cablaggio in serie di più poli di un singolo interruttore crea un maggiore traferro per un’interruzione sicura dell’arco.
Poiché i circuiti in CC sono costituiti da due fili, uno positivo e uno negativo, uno di essi deve fungere da massa nella maggior parte degli impianti fotovoltaici, come il neutro in un sistema CA. Il produttore del pannello solare specifica quale di questi due fili è collegato a massa. La massa negativa è la configurazione più comune. Questo collegamento viene solitamente effettuato sull’inverter. Secondo il NEC, deve essere commutato solo il conduttore non collegato a massa che trasporta corrente.
Potenziali problemi degli impianti fotovoltaici
La maggior parte degli impianti fotovoltaici installati da professionisti qualificati è realizzata in modo sicuro e affidabile. Tuttavia, l’installazione di un sistema di alimentazione elettrica fotovoltaica da parte di persone inesperte può causare problemi. Alcuni dei problemi comuni associati alla progettazione e installazione e al funzionamento degli impianti fotovoltaici includono:
- Ampia ombreggiatura dell’array FV
- Fissaggio strutturale non sicuro a tetti e altre strutture
- Resistenza inadeguata agli agenti atmosferici nei tetti e altre infiltrazioni
- Cablaggio non sicuro
- Installazione della batteria non sicura o manutenzione o utilizzo impropri della batteria
- Ampacità dei conduttori e/o tipo di isolamento insufficienti
- Utilizzo di apparecchiature non certificate
- Applicazione impropria di apparecchiature certificate o non certificate
- Posizionamento improprio della protezione da sovracorrente e dei dispositivi di sezionamento
- Messa a terra non corretta del sistema
- Etichettatura inadeguata sui principali componenti del sistema e dispositivi di sezionamento
- Documentazione inadeguata sulla progettazione e il funzionamento e sui requisiti di manutenzione del sistema
- Protezione ambientale inadeguata per alcuni componenti del sistema
Manutenzione e ricerca guasti degli impianti fotovoltaici
Importanza dei test e della ricerca guasti negli impianti fotovoltaici Il progetto di un impianto fotovoltaico deve includere la documentazione di supporto, che a sua volta deve, come minimo, includere le specifiche dell’impianto, gli schemi elettrici, i disegni meccanici, gli elenchi delle parti, gli elenchi dei materiali e gli elenchi delle sorgenti. La documentazione deve includere anche le procedure di installazione e verifica, la formazione degli utenti e degli operatori, i requisiti di manutenzione, le guide alla ricerca guasti e specificare gli strumenti e le attrezzature necessari per eseguire queste attività.
Requisiti di manutenzione per installazioni fotovoltaiche
I requisiti di manutenzione per le installazioni fotovoltaiche dipendono dal tipo di progettazione del sistema e dalle apparecchiature utilizzate. Alcune installazioni richiedono poca attenzione, forse solo ispezioni annuali. Altre, specialmente quelle con batterie, possono richiedere intervalli di manutenzione da quattro a sei mesi, o persino sostituzioni di componenti (solitamente batterie) per tutta la durata del sistema. Gli elementi di manutenzione tipici che gli impianti fotovoltaici possono richiedere includono:
- Ispezione del collegamento dei cavi e delle terminazioni per verificare la presenza di allentamenti e corrosione
- Ispezione dei cablaggi per garantire che siano raggruppati e protetti in modo ordinato
- Ispezione della pulizia dell’array fotovoltaico e dell’integrità strutturale e per l’assenza di danni
- Ispezione per l’assenza di infiltrazioni nel tetto e tenuta contro gli agenti atmosferici
- Manutenzione delle batterie, che può includere pulizia, aggiunta di elettroliti, compensazione della carica e sostituzione, se necessario
Strumenti e procedure per l’installazione e la manutenzione di un sistema fotovoltaico
Indipendentemente dal fatto che si stia installando o manutenendo un sistema fotovoltaico, utilizzare sempre gli strumenti appropriati per l’attività. In genere, è possibile eseguire la maggior parte delle attività che coinvolgono i moduli fotovoltaici e i relativi circuiti CC associati usando un multimetro digitale (DMM) di alta qualità con una pinza amperometrica o un multimetro a pinza con funzionalità di misurazione della tensione.
Utilizzare un multimetro digitale con una pinza amperometrica o un multimetro a pinza per testare i moduli all’atto della consegna e di nuovo dopo l’installazione. Utilizzare uno di questi strumenti per controllare la corrente e la tensione di uscita dell’array. Durante l’installazione, assicurarsi che le unità appropriate siano collegate in serie per fornire la tensione corretta. Assicurarsi che le sezioni dell’array in serie siano collegate in parallelo per fornire la corrente corretta.
Utilizzare un multimetro digitale e un multimetro a pinza per garantire i collegamenti corretti all’inverter, nonché le tensioni e la corrente di ingresso e uscita dell’inverter. Questi strumenti possono anche aiutare a ricercare i guasti per il resto dell’installazione, proprio come qualsiasi altro sistema di alimentazione in CA.
Rilevamento e risoluzione dei problemi degli inverter negli impianti fotovoltaici
Alcuni problemi dell’inverter richiedono l’uso di un oscilloscopio o di una combinazione oscilloscopio-misuratore. Ad esempio, utilizzare un oscilloscopio per individuare e identificare i problemi di rumore nell’avvolgimento del circuito di controllo o per verificare il corretto funzionamento del transistor bipolare a gate isolato (IGBT) osservandone le forme d’onda. È possibile individuare un transistor in cortocircuito utilizzando un oscilloscopio. Un buon transistor ha una forma d’onda con un’onda quadrata ben formata con spigoli vivi, mentre un transistor difettoso ha una forma d’onda arrotondata al picco del bordo d’attacco. Inoltre, assicurarsi che la forma d’onda in corrispondenza dell’uscita dell’inverter si avvicini a un’onda sinusoidale.
L’impatto delle armoniche sugli impianti fotovoltaici
Poiché praticamente ogni installazione fotovoltaica utilizza inverter per convertire la corrente continua dall’array fotovoltaico in corrente alternata, potrebbe esserci delle armoniche presenti sulla corrente alternata proveniente dal sistema fotovoltaico. I convertitori di frequenza (VFD) sono i principali responsabili della generazione di armoniche. I circuiti utilizzati dagli inverter per convertire la corrente continua in corrente alternata sono simili ai circuiti degli VFD responsabili della generazione di correnti armoniche. In genere, i progetti degli impianti fotovoltaici dovrebbero ridurre al minimo le armoniche. Tuttavia, se si sospettano problemi di armoniche nell’impianto, è possibile utilizzare un analizzatore di rete per ricercare i guasti del sistema.
Essere consapevoli dei potenziali problemi, testare e risolvere i problemi con strumenti adatti all’attività da svolgere, aiuterà a ottenere e mantenere un impianto fotovoltaico funzionante in modo sicuro e affidabile.