Come si calcola l’efficienza di un impianto fotovoltaico?

In questo nuovo approfondimento, esploreremo un argomento di grande rilevanza: la procedura standard che consente di valutare l’efficienza di un impianto fotovoltaico, offrendo e fornendo immagini guida con specifica delle prove eseguite.

Il Monitoring e collaudo delle performance

Oggi più che mai, la corsa alle installazioni di impianti fotovoltaici necessita di essere accompagnata da un’adeguata attività di:

• Verifica
• Monitoring
• Collaudo delle performance

Questo, al fine di garantire la corretta producibilità (MWh) e tutelare gli economics di progetto.

Già possiamo affermare che una corretta valutazione del funzionamento e delle performance di un impianto fotovoltaico, che sia esso di nuova realizzazione o già installato, non possa prescindere dalle seguenti attività:

1. Verifica della continuità elettrica e delle connessioni tra i moduli fotovoltaici;
2. Misurazione dell’isolamento dei circuiti elettrici dalle masse, controllando che siano rispettati i valori previsti dalla Norma CEI 64-8;
3. Prove funzionali sul sistema di conversione statica con riferimento al manuale di uso e manutenzione, nelle diverse condizioni di potenza (accensione, spegnimento, mancanza di rete del distributore);
4. Verifica nelle condizioni di potenza generata
5. Analisi con termocamera;
6. Ulteriori verifiche.

Per ciascuna delle attività menzionate, c’è una sequenza di fasi operative che non possono mai mancare.

Verifica della continuità elettrica (moduli fotovoltaici) 

In questa parte dell’approfondimento esploreremo nel dettaglio le singole fasi operative del processo, soffermandoci su come ciascuna contribuisce al risultato finale.

Un elemento centrale sarà l’utilizzo del voltmetro, strumento di misura indispensabile per monitorare e verificare il corretto funzionamento del sistema elettrico, garantendo precisione e affidabilità in ogni passaggio.

Fase 1: Accertarsi che l’inverter sia spento e posizionare in posizione OFF i sezionatori di campo e di stringa.

Fase 2: Mediante l’ausilio di un Voltmetro misurare le tensioni a vuoto delle stringhe. Le tensioni devono essere simili; è ammesso uno scostamento massimo del 10% tra i valori. Se si riscontrano i valori ricavati con i dati di targa del modulo occorre calcolare la diminuzione della tensione a vuoto, facendo uso per il silicio cristallino del valore di circa 2,3 mV/°C per ogni cella collegata in serie.

N.B In corrispondenza di un aumento della temperatura si registra una diminuzione della tensione a vuoto pari a circa 2,3 mV/°C e un aumento della corrente di corto circuito pari a circa lo 0,2 %.

Fase 3: Se la misurazione non fornisce alcun valore vuol dire che vi è una disconnessione nella serie dei moduli. Occorre in tal caso controllare le cassette di terminazione e i capicorda.

Fase 4: Se la misurazione della tensione a vuoto fornisce valori diversi superiori alla percentuale di scostamento vuol dire che si è in presenza o di qualche modulo difettoso, diodi di by-pass invertiti, o è stata effettuata un inversione di polarità su qualche modulo.

Misurazione dell’isolamento dei circuiti elettrici dalle masse

La misurazione dell’isolamento è una fase cruciale per garantire la sicurezza e l’efficienza di impianti e apparecchiature elettriche.

Utilizzando il misuratore di isolamento a 1KV, possiamo valutare la resistenza del materiale isolante, identificando eventuali criticità che potrebbero compromettere il funzionamento dell’impianto.

Ora, andiamo a vedere nel dettaglio le singole fasi della misurazione dell’isolamento con il rispettivo strumento.

Fase 1: Accertarsi che l’inverter sia spento e posizionare in posizione OFF i sezionatori di campo e di stringa.

Fase 2: Collocare il negativo del misuratore di isolamento sulla massa.

Fase 3: Collocare il positivo del misuratore di isolamento sul polo positivo della stringa.

Fase 4: Immettere una tensione di 1 KV e leggere il valore di resistenza che deve essere dell’ordine delle centinaia diMΩ.

Fase 5: Ripetere la fase 2, 3 (posizionando questa volta il positivo del misuratore sul polo negativo della stringa) e 4.

Fase 6: Nel caso in cui le misurazioni di resistenza lette non siano dell’ordine delle centinaia di MΩ ma dell’ordine delle centinaia di KΩ vuol dire che vi è in presenza di un difetto nei moduli.

Verifica nelle condizioni di potenza generata

Arrivati a questo punto, c’è la verifica del regolare funzionamento dell’impianto fotovoltaico nelle differenti condizioni di potenza generata e nelle diverse modalità previste dal gruppo di conversione.

Fase 1: Tenere l’interruttore di interfaccia rete in posizione OFF e posizionare su ON i sezionatori di campo e di stringa.

Fase 2: L’inverter vedrà il campo fotovoltaico, si accenderà e inizierà la ricerca della rete elettrica.
Fase 3: Posizionare su ON l’interruttore di interfaccia rete.

Fase 4: L’inverter avvierà il controllo della tensione e della frequenza della rete, avviandosi qualora questi parametri risultino rispettare le tolleranze prescritte.

Fase 5: Dopo un periodo di stabilizzazione l’inverter inizierà ad inseguire il punto di massima potenza (MPPT).

Fase 6: Verificare lo spegnimento dell’inverter in situazione di mancanza di rete (in rispetto alle vigenti norme, l’inverter deve spegnersi in mancanza di rete) simulabile posizionando su OFF l’interruttore di interfaccia rete.

Fase 7: Verificare il riavvio automatico dell’inverter al ritorno della rete.

Verifica della condizione di performance

Ora, esploreremo i parametri fondamentali che influiscono sull’efficienza e sulla resa del sistema, valutando le condizioni ottimali di funzionamento per garantire la massima produzione energetica.

Di seguito, riportiamo la condizione di performance lato corrente continua:

La normativa prevede che la sopra menzionata condizione sia rispettata al fine di rilasciare il certificato di collaudo di impianto fotovoltaico.

• Pcc: potenza (kW) misurata all’uscita del generatore fotovoltaico, con precisione migliore del 2%
• Pnom: somma delle potenze (kW) di targa dei moduli installati
• I: irraggiamento (W/m2) misurato sul piano dei moduli, con precisione migliore del 3%
• ISTC : irragiamento in condizioni standard il cui valore di riferimento è 1000 W/m2
• Pca: potenza attiva (KW) misurata all’uscita del convertitore con precisione superiore al 2%. Strumento di misura utilizzato: Piranometro, Millivoltmetro, Pinza amperometrica e/o Wattmetro.

Procedura di misura da eseguire nelle singole fasi:

Fase 1:
Avviare l’inverter e attendere che il suo funzionamento si stabilizzi.

Fase 2:
Posizionare il piranometro sul piano dei moduli ed eseguire la misura di radiazione solare che sarà data dal valore dato dal millivoltmetro diviso la costante di calibrazione del piranometro.

Radiazione Solare [ W/m2] – Millivoltmetro [mV] – Costante di calibrazione [ mV/W/cm2]

Fase 3:
Dopo aver eseguito una smagnetizzazione della pinza amperometrica posizionarsi sotto il sezionatore di campo ed agganciare la pinza sul cavo positivo del campo FV.

Rilevare inoltre la tensione ed eseguire la misura di potenza in continua.

Fase 4:
Verificare che sia rispettata la condizione di collaudo.

Fase 5:
Qualora la condizione non risulti essere verificata si è in presenza di perdite lato continua superiori al 15 %.

A confronto, vediamo la verifica della condizione di performance lato corrente alternata (inverter): 

La normativa prevede che la sopra menzionata condizione di conversione c.c./c.a. sia rispettata al fine di rilasciare il certificato di collaudo di impianto fotovoltaico.

• Pcc: potenza (kW) misurata all’uscita del generatore fotovoltaico, con precisione migliore del 2%
• Pca: potenza attiva (KW) misurata all’uscita del convertitore con precisione superiore al 2%. Strumento di misura da utilizzare: Pinza amperometrica e/o Wattmetro.

Procedura di misura: 

Fase 1:
Avviare l’inverter e attendere che il suo funzionamento si stabilizzi.

Fase 2:
Dopo aver eseguito una smagnetizzazione della pinza amperometrica posizionarsi sotto il sezionatore di campo ed agganciare la pinza sul cavo positivo del campo FV.

Rilevare inoltre la tensione ed eseguire la misura di potenza in continua.

Fase 3:
Posizionarsi sotto l’interruttore d’interfaccia ed agganciare la pinza sul cavo di fase.Rilevare inoltre la tensione ed eseguire la misura di potenza alternata.

É preferibile eseguire la fase 2 e 3 mediante l’ausilio di due pinze in modo da effettuare le rilevazioni in contemporanea.

Fase 4:
Verificare se è rispettata la condizione di collaudo.

Fase 5:
Qualora la condizione non risulti essere verificata vuol dire che l’inverter ha un rendimento minore del 90% e quindi non conforme.

Termocamera: verifica di performance dei moduli fotovoltaici 

Vogliamo anche riportarvi alcune immagini catturate con la termocamera che evidenziano lo stato delle celle di un impianto fotovoltaico di nuova realizzazione.

Come si può notare dalle immagini, la temperatura delle celle è assolutamente uniforme e non vengono evidenziate asimmetrie tra quest’ultime (situazione che invece si verifica nel caso di “hot-spot” con danneggiamento delle singole celle).

Le uniche differenze in temperature riscontrate sulla superficie dei moduli sono dovute esclusivamente alla differente esposizione al sole dei moduli fotovoltaici.

L’utilizzo della termocamera è dunque un’operazione necessaria al fine di valutare la corretta performance di:

• Celle;
• Moduli;
• Intero impianto Fotovoltaico.

Diversi casi di valutazione dei moduli con la termocamera

Dalle seguenti immagini rilevate con termocamera, viene messo in evidenza il caso di celle di moduli che, a causa della sporcizia, generano calore e si comportano come dei veri e propri “hot spot”, compromettendo le performance di modulo e stringa.

Dopo aver fatto un adeguato lavaggio dei moduli fotovoltaici, la temperatura delle celle può tornare alla normalità.

Questo dimostra che il problema non era legato ad un difetto del modulo, bensì era dovuto esclusivamente alla sua sporcizia.

È dunque opportuno valutare una pulizia stagionale per tutti i moduli fotovoltaici soggetti a sporcizia.

Ulteriori verifiche

Dopo aver verificato la dichiarazione di conformità ai sensi di Legge 46/90, rilasciata dall’installatore, si rendono necessarie le seguenti verifiche:

• Che l’impianto sia conforme al progetto, i moduli correttamente installati, la carpenteria saldamente ancorata;
• Che l’impianto sia stato realizzato nel rispetto delle prescrizioni delle Norme in generale e delle Norme specifiche di riferimento;
• Che il materiale elettrico sia conforme alle relative Norme e che non siano presenti danni visivi che possono pregiudicare la sicurezza;
• Che siano installati adeguati dispositivi di sezionamento e interruzione.

Inoltre, vanno considerate anche:

• Verifica dei cavi e dei conduttori;
• Verifica della messa a terra di masse e scaricatori;
• Prove funzionali sul sistema di conversione statica con riferimento al manuale di uso e manutenzione, nelle diverse condizioni di potenza (accensione, spegnimento e mancanza di rete).

Dettagli e approfondimenti

Ulteriori verifiche si rendono necessarie al fine di valutare l’impatto delle perdite termiche sulla potenza in corrente continua dell’impianto fotovoltaico.

A parità di condizioni atmosferiche non tutti gli impianti fotovoltaici sono soggetti alle stesse influenze di natura termica.

Ad esempio gli impianti a terra o comunque installati con strutture del tipo “a vela” sono molto più areati e meno soggetti all’innalzamento termico.

Viceversa gli impianti “roof top” (tipiche installazioni rilevate negli ultimi anni complanari alla superficie del tetto) sono soggetti a scarsa ventilazione naturale con conseguente drastico innalzamento delle temperature di cella che penalizzano le performance dei moduli fotovoltaici e dell’impianto nel suo complesso.

 

 

Conclusioni

Calcolare l’efficienza di un impianto fotovoltaico è un processo che richiede la considerazione di diversi fattori.

Conoscere questi parametri non solo permette di monitorare la resa energetica dell’impianto, ma consente anche di ottimizzarne il funzionamento e massimizzare il ritorno sull’investimento.

Investire nel monitoraggio costante e nell’analisi dei dati raccolti significa poter intervenire tempestivamente, garantendo nel tempo una maggiore sostenibilità economica e ambientale.

In definitiva, comprendere come calcolare la performance di un impianto fotovoltaico rappresenta uno strumento essenziale per una gestione energetica consapevole e efficiente.

Approfondimento a cura dell’Ing. Andrea Girelli – Energy Management & Renewables.