Struttura di un impianto FV: Dal modulo all'immissione in rete
Introduzione: Dal modulo solare all'impianto fotovoltaico
Il termine generico "impianto solare" comprende sia gli impianti fotovoltaici che quelli solari termici. Gli impianti fotovoltaici (o impianti FV) convertono i raggi solari in energia elettrica, mentre gli impianti solari termici producono energia termica. In questo articolo ci concentreremo sugli impianti FV.
Dopo aver analizzato nell'articolo precedente Dal fotone al volt: Come funziona una cella solare? il funzionamento di una singola cella solare, ora esaminiamo il quadro complessivo: come si trasformano le singole celle in un impianto solare completo?
Dalla cella alla farm solare
La struttura gerarchica di un impianto fotovoltaico è ben definita:
- Cella solare → Modulo: Più celle vengono collegate elettricamente e incapsulate meccanicamente in un telaio
- Modulo → Stringa: I moduli sono collegati in serie per raggiungere la tensione necessaria all'inverter
- Stringa → Impianto: Più stringhe alimentano uno o più inverter
- Impianto → Farm: Molti impianti insieme formano un parco solare
Già un singolo modulo solare o una stringa possono costituire un impianto solare completo – come nel caso delle centrali da balcone.
Tuttavia, la disposizione di celle e moduli solari rappresenta solo metà del quadro. Per un impianto funzionante sono inoltre necessari:
- Supporti e sistemi di montaggio
- Cavi e scatole di giunzione
- Elettronica di potenza (inverter, MPPT)
- Opzionale: sistema di accumulo a batteria
- Contatori e sistemi di monitoraggio
Montaggio e strutture di supporto
I moduli solari possono essere installati in diverse posizioni:
Applicazioni residenziali
- Tetti di abitazioni (tetti inclinati o piani)
- Garage e carport
- Impianti da balcone
- Facciate
Applicazioni commerciali e industriali
- Capannoni industriali e edifici per uffici
- Impianti a terra (parchi solari)
- Agri-FV (combinazione con l'agricoltura)
Tipologie di strutture di supporto
Struttura fissa:
- I moduli sono montati in modo fisso su tetti o a terra
- Geometricamente vincolati all'edificio o alla struttura
- Semplice, economica, bassa manutenzione
- Soluzione standard per la maggior parte delle applicazioni
Struttura a inseguimento (tracker):
- I moduli seguono il percorso del sole durante il giorno
- Movimento tramite motori elettrici o idraulici
- Possibile incremento della resa del 15–35%
- Costi e manutenzione più elevati
- Economicamente conveniente soprattutto per grandi impianti
Per tutte le tipologie di montaggio vale: robustezza, carico del vento e, nel caso degli edifici, la statica del tetto determinano la scelta della struttura.
Percorso della corrente: Dal modulo alla presa
Il percorso dell'energia solare si articola in cinque fasi principali:
1. Generazione DC
I moduli solari convertono la luce solare in corrente continua (DC). La tensione generata dipende dal numero di celle collegate in serie.
2. MPPT e ottimizzazione DC
Il Maximum-Power-Point-Tracker (MPPT) regola continuamente la tensione di lavoro per estrarre la massima potenza dai moduli. Ciò è particolarmente importante in condizioni di nuvolosità variabile o ombreggiamento parziale.
3. Conversione AC
L'inverter converte la corrente continua in corrente alternata conforme alla rete:
- 230 V monofase per piccoli impianti
- 400 V trifase per impianti più grandi
4. Immissione o consumo
La corrente alternata fluisce verso i carichi domestici, verso un sistema di accumulo a batteria o verso la rete pubblica.
5. Misurazione e contabilizzazione
I contatori registrano prelievo e immissione per la fatturazione e la gestione energetica.
Integrazione della batteria: Accoppiamento AC vs. DC
Gli impianti solari dotati di batteria dispongono di un buffer energetico. Grazie all'elettronica di carica intelligente, l'energia può essere accumulata in base al fabbisogno. Le giornate nuvolose vengono compensate, quelle soleggiate sfruttate per la ricarica.
Sistemi accoppiati in AC
- L'inverter è posizionato direttamente dopo i moduli
- La batteria viene caricata e scaricata a valle con corrente alternata (AC)
- Necessaria un'ulteriore conversione AC/DC per la batteria
- Facile retrofitting di impianti esistenti
- Rendimento complessivo leggermente inferiore a causa della doppia conversione
Vantaggi: Flessibilità nell'installazione, indipendenza dall'inverter FV, semplice retrofitting
Sistemi accoppiati in DC
- La batteria è collegata direttamente al circuito DC dei moduli solari
- Carica e scarica senza conversione AC intermedia
- La conversione in AC avviene solo per la rete domestica
- Rendimento complessivo superiore
Vantaggi: Minori perdite di conversione, maggiore efficienza nell'autoconsumo
Misurazione e tipologie di contatori
Per la comunicazione tra impianto solare, batteria e rete è necessario un sistema di regolazione integrato. La base sono i dati di misura dei contatori.
Contatore monodirezionale
Misura il flusso di corrente in una sola direzione:
- Contatore di consumo: Corrente dalla rete all'utenza
- Contatore di immissione: Corrente dall'impianto FV alla rete
- Contatore di produzione: Produzione totale dell'impianto
Contatore bidirezionale
Registra prelievo e immissione in parallelo in un unico dispositivo. Unisce le funzioni del contatore di consumo e di immissione.
Smart Meter
La variante più moderna:
- Misurazione e comunicazione digitale
- Possibile trasmissione dati in tempo reale
- Base per la gestione energetica e tariffe variabili
- Comunicazione tramite Smart-Meter-Gateway
Profili di carico e grado di autosufficienza
I profili giornalieri domestici variano notevolmente:
- Mattina: Basso consumo (persone al lavoro), bassa produzione (sole basso)
- Mezzogiorno: Carico ridotto, massima produzione solare → la batteria si carica
- Sera: Alto consumo (cucina, TV, riscaldamento), nessuna produzione → la batteria si scarica
Per un elevato grado di autosufficienza, tre fattori devono essere bilanciati:
- Produzione (kWp): Quanta potenza massima può fornire l'impianto?
- Accumulo (kWh): Quanta energia può essere immagazzinata?
- Consumo (kWh/anno): Quanta elettricità consuma l'utenza?
Conclusioni: Come arriva l'elettricità alla presa
In sintesi: Un impianto solare appare semplice a prima vista, ma i numerosi dettagli tecnici ne rivelano la complessita. La cella solare genera corrente continua, l'MPPT ottimizza la tensione per la massima potenza, e a seconda del tipo di impianto, la corrente fluisce verso la batteria e/o l'inverter. I contatori registrano tutti i flussi per la regolazione e la fatturazione prima che la corrente alternata raggiunga la presa o la rete pubblica.
A seguire: AC/DC nel fotovoltaico: Inverter e conversione di corrente