Pannelli solari per la dacia e la casa: tipologie, principio di funzionamento e procedura di calcolo degli impianti solari

La scienza ci ha regalato il tempo in cui la tecnologia dell'uso dell'energia solare è diventata accessibile a tutti. Ogni proprietario ha la possibilità di ottenere pannelli solari per la propria casa. I proprietari di villette non sono da meno in questo. Spesso si trovano lontani da fonti centralizzate di alimentazione elettrica stabile.

Vi proponiamo di familiarizzare con le informazioni che presentano la struttura, i principi di funzionamento e il calcolo dei componenti di lavoro del sistema solare. La conoscenza delle informazioni che offriamo avvicinerà la realtà di fornire il proprio terreno con elettricità naturale.

Per una chiara comprensione dei dati forniti, sono allegati schemi dettagliati, illustrazioni, foto e video-istruzioni.

Struttura e principio di funzionamento del pannello solare

Un tempo, menti curiose hanno scoperto per noi le sostanze naturali che, sotto l'azione delle particelle di luce solare, i fotoni, producono energia elettrica. Il processo è stato chiamato effetto fotovoltaico. Gli scienziati hanno imparato a controllare il fenomeno microfisico.

Basandosi su materiali semiconduttori, hanno creato dispositivi elettronici compatti – le celle fotovoltaiche.

I produttori hanno padroneggiato la tecnologia per unire convertitori miniaturizzati in pannelli solari efficienti. L'efficienza dei moduli solari pannellati in silicio, ampiamente prodotti dall'industria, è del 18-22%.

Dalla descrizione dello schema si vede chiaramente: tutti i componenti della centrale sono ugualmente importanti – il loro corretto dimensionamento determina il funzionamento coordinato del sistema

Un pannello solare è assemblato da moduli. Esso è il punto finale del viaggio dei fotoni dal Sole alla Terra. Da qui, questi componenti della radiazione luminosa continuano il loro percorso all'interno del circuito elettrico come particelle di corrente continua.

Vengono distribuite alle batterie, oppure vengono trasformate in cariche di corrente elettrica alternata a 220 volt, che alimentano vari dispositivi tecnici domestici.

Il pannello solare è un insieme di dispositivi a semiconduttore collegati in serie – celle fotovoltaiche, che convertono l'energia solare in energia elettrica.

Maggiori dettagli sulle specifiche del dispositivo e sul principio di funzionamento del pannello solare li troverà in un altro articolo popolare del nostro sito.

Tipi di moduli-pannelli solari

I moduli-pannelli solari sono assemblati da celle solari, anche chiamate convertitori fotovoltaici. Due tipi di convertitori fotovoltaici hanno trovato ampia applicazione.

Si differenziano per i tipi di semiconduttore al silicio utilizzati per la loro produzione, ovvero:

• Policristallini. Sono celle solari realizzate da fusione di silicio mediante raffreddamento prolungato. Il metodo di produzione semplice determina un prezzo accessibile, ma la resa del tipo policristallino non supera il 12%.
• Monocristallini. Si tratta di elementi ottenuti tagliando in sottili lastre un cristallo di silicio cresciuto artificialmente. L'opzione più produttiva e costosa. Il rendimento medio è intorno al 17%, si possono trovare celle fotovoltaiche monocristalline con prestazioni superiori.

Le celle solari policristalline sono di forma quadrata piatta con superficie non uniforme. Le varietà monocristalline appaiono come quadrati sottili con struttura superficiale uniforme e angoli smussati (pseudo-quadrati).

Ecco come appaiono i FV – convertitori fotovoltaici: le caratteristiche del modulo solare non dipendono dal tipo di elementi utilizzati – questo influisce solo sulle dimensioni e sul prezzo.

I pannelli del primo tipo sono più grandi in termini di dimensioni a parità di potenza rispetto ai secondi a causa della minore efficienza (18% contro 22%). Ma sono in media più economici del dieci percento e godono di una domanda prevalente.

Sulle regole e le sfumature della scelta dei pannelli solari per l'alimentazione del riscaldamento autonomo potrà leggere qui.

Schema di funzionamento dell'alimentazione solare

Quando si osservano i nomi dal suono misterioso dei componenti che costituiscono il sistema di alimentazione solare, viene in mente il pensiero della complessità supertecnica del dispositivo.

A livello microscopico della vita del fotone è così. Ma visivamente, lo schema generale del circuito elettrico e il suo principio di funzionamento appaiono molto semplici. Dal sole fino alla ‘lampadina di Il'ič’ ci sono solo quattro passaggi.

I moduli solari – il primo componente della centrale elettrica. Sono pannelli rettangolari sottili, assemblati da un certo numero di lastre standard di fotoelementi. I produttori realizzano pannelli fotovoltaici con diverse potenze elettriche e tensioni multiple di 12 volt.

I dispositivi di forma piatta sono posizionati comodamente su superfici esposte ai raggi diretti. I blocchi modulari vengono collegati tra loro per formare un pannello solare. Il compito del pannello è convertire l'energia solare ricevuta, fornendo corrente continua di una determinata intensità.

I dispositivi di accumulo di carica elettrica – batterie per pannelli solari sono noti a tutti. Il loro ruolo all'interno del sistema di alimentazione solare è tradizionale. Quando i consumatori domestici sono collegati alla rete centralizzata, gli accumulatori immagazzinano elettricità.

Accumulano anche le eccedenze, qualora la corrente del modulo solare sia sufficiente a garantire la potenza consumata dagli apparecchi elettrici.

Il gruppo batteria fornisce al circuito la quantità di energia richiesta e mantiene una tensione stabile non appena il consumo nel circuito aumenta fino a un valore elevato. Lo stesso accade, ad esempio, di notte quando i pannelli fotovoltaici non funzionano o durante periodi di scarsa insolazione.

Lo schema di approvvigionamento energetico domestico tramite pannelli solari differisce dalle soluzioni con collettori per la possibilità di accumulare energia in una batteria.

Il controller è un intermediario elettronico tra il modulo solare e le batterie. Il suo ruolo è regolare il livello di carica delle batterie. Il dispositivo impedisce che queste si surriscaldino per sovraccarico o che il potenziale elettrico scenda al di sotto di una soglia necessaria per il funzionamento stabile dell'intero sistema solare.

Invertitore, così si spiega letteralmente il suono del termine inverter per pannelli solari. Sì, in realtà, questo componente svolge una funzione che un tempo sembrava fantascienza agli elettrotecnici.

Converte la corrente continua del modulo solare e delle batterie in corrente alternata con una differenza di potenziale di 220 volt. Questa tensione è quella operativa per la stragrande maggioranza degli apparecchi elettrici domestici.

Il flusso di energia solare è proporzionale alla posizione del sole: durante l'installazione dei moduli, sarebbe opportuno prevedere una regolazione dell'angolo di inclinazione in base alla stagione.

Carico di punta e consumo energetico medio giornaliero

Il piacere di possedere una propria centrale solare costa ancora molto. Il primo passo verso il possesso della potenza dell'energia solare è la determinazione del carico di picco ottimale in kilowatt e del consumo energetico medio giornaliero razionale in kilowattora per un'abitazione o una casa di campagna.

Il carico di picco è generato dalla necessità di accendere contemporaneamente più elettrodomestici ed è determinato dalla loro potenza massima complessiva, tenendo conto delle caratteristiche di avviamento maggiorate di alcuni di essi.

Il calcolo della potenza massima consumata permette di identificare quali elettrodomestici necessitano vitalmente di funzionare simultaneamente e quali no. A questo indicatore sono subordinate le caratteristiche di potenza dei componenti della centrale, e quindi il costo finale del dispositivo.

Il consumo energetico giornaliero di un elettrodomestico si misura moltiplicando la sua potenza individuale per il tempo in cui ha funzionato dalla rete (ha consumato energia elettrica) nel corso della giornata. Il consumo energetico medio giornaliero totale si calcola come la somma dell'energia elettrica consumata da ciascun utilizzatore nell'arco delle 24 ore.

L'analisi successiva e l'ottimizzazione dei dati ottenuti sui carichi e sul consumo energetico garantiranno la corretta configurazione e il successivo funzionamento del sistema solare con costi minimi.

Il risultato del consumo energetico aiuta ad affrontare razionalmente l'uso dell'elettricità solare. Il risultato dei calcoli è importante per il successivo dimensionamento della capacità delle batterie. Da questo parametro dipende ancora di più il prezzo del blocco batterie, un componente piuttosto costoso del sistema.

Procedura per il calcolo degli indicatori energetici

Il processo di calcolo inizia letteralmente con un foglio di quaderno a righe orizzontali, dispiegato. Con leggere linee di matita si ottiene dal foglio un modulo con trenta colonne e tante righe quanti sono gli elettrodomestici.

Preparazione ai calcoli aritmetici

La prima colonna è tradizionale: il numero progressivo. La seconda colonna: il nome dell'apparecchio elettrico. La terza: la sua potenza individuale.

Le colonne dalla quarta alla ventisettesima sono le ore del giorno dalle 00 alle 24. In esse, tramite una barra orizzontale, vengono inseriti:

• al numeratore: il tempo di funzionamento dell'apparecchio durante l'ora specifica in forma decimale (0,0);
• al denominatore: di nuovo la sua potenza individuale (questa ripetizione è necessaria per il calcolo dei carichi orari).

La ventottesima colonna: il tempo totale di funzionamento dell'apparecchio durante il giorno. Nella ventinovesima: si annota il consumo energetico individuale dell'apparecchio come risultato della moltiplicazione della potenza individuale per il tempo di funzionamento giornaliero.

La creazione di una specifica dettagliata dei consumatori tenendo conto dei carichi orari aiuterà a mantenere più apparecchi abituali, grazie al loro uso razionale.

La trentesima colonna è anch'essa standard: le note. Sarà utile per calcoli intermedi.

Compilazione della specifica dei consumatori

La fase successiva dei calcoli è la trasformazione del modulo del quaderno in una specifica dei consumatori domestici di elettricità. La prima colonna è chiara. Qui vengono inseriti i numeri progressivi delle righe.

Nella seconda colonna si scrivono i nomi dei consumatori di energia. Si consiglia di iniziare la compilazione con gli elettrodomestici dell'ingresso. Successivamente, si descrivono le altre stanze in senso antiorario o orario, a seconda di quale sia più comodo.

Se c'è un secondo piano (e così via), la procedura è la stessa: partendo dalle scale, in senso circolare. Non bisogna dimenticare gli apparecchi sui pianerottoli e l'illuminazione esterna.

La terza colonna con l'indicazione della potenza accanto al nome di ciascun apparecchio elettrico è meglio riempirla contemporaneamente alla seconda.

Le colonne dalla quarta alla ventisettesima corrispondono ciascuna a una specifica ora del giorno. Per comodità, è possibile tracciarle immediatamente con linee orizzontali al centro delle righe. Le metà superiori delle righe ottenute fungono da numeratori, quelle inferiori da denominatori.

Queste colonne vengono compilate riga per riga. I numeratori vengono selettivamente formattati come intervalli temporali in formato decimale (0,0), che riflettono il tempo di funzionamento di un determinato apparecchio elettrico in un particolare periodo orario. Parallelamente, dove vengono inseriti i numeratori, vengono scritti i denominatori con l’indicatore di potenza dell’apparecchio, preso dalla terza colonna.

Dopo aver riempito tutte le colonne orarie, si procede al calcolo del tempo di lavoro giornaliero individuale degli apparecchi elettrici, scorrendo le righe. I risultati vengono registrati nelle celle corrispondenti della ventottesima colonna.

Nel caso in cui l’impianto solare fotovoltaico svolga un ruolo di supporto, per evitare che il sistema funzioni a vuoto, è possibile collegare parte del carico ad esso per un’alimentazione costante.

Sulla base della potenza e del tempo di funzionamento, viene calcolato sequenzialmente il consumo energetico giornaliero di tutti i consumatori. Viene annotato nelle celle della ventinovesima colonna.

Quando tutte le righe e le colonne della specifica sono state riempite, si procede al calcolo dei totali. Sommando, colonna per colonna, le potenze dai denominatori delle colonne orarie, si ottengono i carichi di ogni ora. Sommando dall’alto in basso i consumi energetici giornalieri individuali della ventinovesima colonna, si trova il consumo medio giornaliero totale.

Il calcolo non include il consumo proprio del futuro sistema. Questo fattore viene preso in considerazione da un coefficiente ausiliario nei successivi calcoli finali.

Analisi e ottimizzazione dei dati ottenuti

Se l’alimentazione dall’impianto solare è prevista come riserva, i dati sulle potenze consumate orarie e sul consumo energetico medio giornaliero totale aiutano a minimizzare il consumo di costosa elettricità solare.

Ciò si ottiene escludendo dall’uso i consumatori ad alta intensità energetica fino al ripristino dell’alimentazione centralizzata, specialmente nelle ore di carico massimo.

Se il sistema di energia solare è progettato come fonte di alimentazione elettrica costante, allora i risultati dei carichi orari vengono messi in primo piano. È importante distribuire il consumo di elettricità durante il giorno in modo da eliminare i massimi nettamente predominanti e i minimi fortemente recessivi.

L’eliminazione dei picchi, il livellamento dei carichi massimi, la rimozione dei bruschi cali del consumo energetico nel tempo permettono di selezionare le opzioni più economiche per i componenti del sistema solare e garantiscono un funzionamento stabile, e soprattutto, senza guasti a lungo termine dell’impianto solare.

Il grafico rivelerà la disomogeneità del consumo energetico: il nostro compito è spostare i picchi nel momento di maggiore attività solare e ridurre il consumo giornaliero totale, specialmente notturno.

Il disegno presentato mostra la trasformazione di un grafico irrazionale, basato sulla specifica redatta, in uno ottimale. L'indice di consumo giornaliero è stato ridotto da 18 a 12 kWh, il carico orario medio giornaliero da 750 a 500 W.

Lo stesso principio di ottimalità sarà utile quando si utilizza l'opzione di alimentazione solare come riserva. Forse non vale la pena spendere eccessivamente per aumentare la potenza dei moduli solari e delle batterie per un inconveniente temporaneo.

Selezione dei componenti della centrale solare

Per semplificare i calcoli, verrà considerata la versione in cui il pannello solare è la fonte principale di energia elettrica per una casa di campagna. Il consumatore sarà una fittizia casetta estiva nella regione di Rjazan', dove si vive stabilmente da marzo a settembre.

Per chiarezza, i ragionamenti saranno supportati da calcoli pratici basati sui dati del grafico razionale del consumo orario di energia pubblicato sopra:

• Consumo energetico medio giornaliero totale = 12 000 wattora.
• Carico medio di consumo = 500 watt.
• Carico massimo 1200 watt.
• Picco di carico 1200 x 1,25 = 1500 watt (+25%).

I valori saranno necessari nei calcoli della capacità totale dei dispositivi solari e di altri parametri operativi.

Determinazione della tensione di lavoro del sistema solare

La tensione di lavoro interna di qualsiasi impianto solare si basa sul multiplo di 12 volt, poiché è la tensione nominale più comune delle batterie. I componenti degli impianti solari più diffusi – moduli solari, controller, inverter – sono prodotti per le tensioni più comuni di 12, 24, 48 volt.

Una tensione più elevata consente di utilizzare cavi di alimentazione di sezione minore – il che aumenta l'affidabilità dei contatti. D'altra parte, le batterie guaste di un sistema a 12V possono essere sostituite singolarmente.

In una rete a 24 volt, considerando le specifiche operative delle batterie, si dovrà effettuare la sostituzione solo in coppia. Una rete a 48V richiederà la sostituzione di tutte e quattro le batterie di un ramo. Inoltre, a 48 volt esiste già il pericolo di scosse elettriche.

A parità di capacità e prezzo approssimativamente uguale, si dovrebbero acquistare batterie con la maggiore profondità di scarica ammissibile e la corrente massima più elevata.

La scelta principale del valore della differenza di potenziale interna del sistema è legata alle caratteristiche di potenza degli inverter prodotti dall'industria moderna e deve tenere conto del valore del carico di picco:

• da 3 a 6 kW – 48 volt,
• da 1,5 a 3 kW – 24 o 48V,
• fino a 1,5 kW – 12, 24, 48V.

Scegliendo tra l'affidabilità del cablaggio e l'inconveniente della sostituzione delle batterie, per il nostro esempio ci atterremo all'affidabilità. In seguito, prenderemo come base la tensione di funzionamento del sistema in fase di calcolo, pari a 24 volt.

Assemblaggio della batteria con moduli solari

La formula per calcolare la potenza richiesta dal pannello solare è la seguente:

Rsm = ( 1000 * Esut ) / ( k * Sin ),

dove:

• Rsm = potenza del pannello solare = potenza totale dei moduli solari (pannelli, W),
• 1000 = sensibilità alla luce adottata dei convertitori fotovoltaici (kW/m²)
• Esut = fabbisogno di consumo energetico giornaliero (kWh, nel nostro esempio = 18),
• k = coefficiente stagionale che considera tutte le perdite (estate = 0,7; inverno = 0,5),
• Sin = valore tabellare dell'irraggiamento (flusso di radiazione solare) con inclinazione ottimale dei pannelli (kWh/m²).

Il valore dell'irraggiamento può essere richiesto al servizio meteorologico regionale.

L'angolo di inclinazione ottimale dei pannelli solari è uguale al valore della latitudine del luogo:

• in primavera e in autunno,
• più 15 gradi – in inverno,
• meno 15 gradi – in estate.

La regione di Rjazan' considerata nel nostro esempio si trova al 55° parallelo.

La massima potenza dei pannelli solari si ottiene utilizzando sistemi di inseguimento, modificando stagionalmente l'angolo di inclinazione dei pannelli, impiegando un orientamento misto dei moduli

Per il periodo considerato da marzo a settembre, la migliore inclinazione non regolata del pannello solare è pari all'angolo estivo di 40° rispetto al suolo. Con questa installazione dei moduli, l'irraggiamento medio giornaliero di Rjazan' in questo periodo è 4,73. Abbiamo tutti i numeri, eseguiamo il calcolo:

Rsm = 1000 * 12 / ( 0,7 * 4,73 ) ≈ 3 600 watt.

Se si prendono come base moduli da 100 watt, ne serviranno 36. Pesaranno circa 300 chilogrammi e occuperanno una superficie di circa 5 x 5 m.

Schemi di montaggio e opzioni di collegamento dei pannelli solari testati nella pratica sono riportati qui.

Allestimento del blocco di accumulo energetico

Nella scelta delle batterie, è necessario seguire i seguenti postulati:

1. Le normali batterie per auto NON sono adatte a questo scopo. Le batterie degli impianti solari sono contrassegnate dalla dicitura «SOLAR».
2. Le batterie devono essere acquistate identiche in tutti i parametri, preferibilmente dello stesso lotto di fabbrica.
3. Il locale in cui è collocato il blocco batterie deve essere caldo. La temperatura ottimale alla quale le batterie forniscono la piena potenza è 25°C. Quando scende a -5°C, la capacità delle batterie si riduce del 50%.

Se si prende come riferimento una batteria campione con tensione di 12 volt e capacità di 100 ampere/ora, è facile calcolare che per un'ora può fornire energia a carichi con una potenza totale di 1200 watt. Ma questo a scarica completa, il che è estremamente indesiderabile.

Per un funzionamento prolungato delle batterie ricaricabili, NON si consiglia di ridurre la loro carica al di sotto del 70%. Il valore limite è il 50%. Considerando come 'giusto mezzo' il 60%, poniamo come base dei calcoli successivi una riserva energetica di 720 Wh per ogni 100 Ah di capacità della batteria (1200 Wh x 60%).

Forse, l'acquisto di una batteria da 200 Ah costerà meno dell'acquisto di due da 100 Ah, e inoltre il numero di connessioni di contatto delle batterie diminuirà.

Inizialmente, le batterie devono essere installate caricate al 100% da una sorgente di corrente fissa. Le batterie ricaricabili devono coprire completamente i carichi durante le ore notturne. Se il tempo non è favorevole, devono mantenere i parametri necessari del sistema anche durante il giorno.

È importante considerare che un eccesso di batterie porterà a una loro costante sotto carica. Ciò ridurrà significativamente la durata di vita. La soluzione più razionale sembra essere quella di dotare il blocco di batterie con una riserva energetica sufficiente a coprire il consumo energetico di una giornata.

Per conoscere la capacità totale richiesta delle batterie, dividiamo il consumo energetico giornaliero totale di 12000 Wh per 720 Wh e moltiplichiamo per 100 Ah:

12.000 / 720 * 100 = 2500 Ah ≈ 1600 Ah

In totale, per il nostro esempio saranno necessarie 16 batterie da 100 Ah o 8 da 200 Ah, collegate in serie-parallelo.

Scelta di un buon regolatore

La corretta scelta del regolatore di carica delle batterie (AKB) è un compito molto specifico. I suoi parametri di ingresso devono corrispondere ai moduli solari scelti, e la tensione di uscita – alla differenza di potenziale interna del sistema solare (nel nostro esempio – 24 volt).

Un buon controller deve necessariamente garantire:

1. Carica a più stadi delle batterie, che ne prolunga significativamente la durata di servizio effettiva.
2. Collegamento e scollegamento automatici e reciproci tra batterie e pannello solare in correlazione con carica e scarica.
3. Ricollegamento del carico dalle batterie al pannello solare e viceversa.

Questo componente di piccole dimensioni è un elemento molto importante.

Se si trasferisce una parte dei carichi (ad esempio, l'illuminazione) all'alimentazione diretta a 12 volt dal controller, sarà necessario un inverter meno potente, quindi più economico.

Dalla corretta scelta del controller dipendono il funzionamento senza problemi del costoso blocco batterie e l'equilibrio dell'intero sistema.

Selezione del miglior inverter

L'inverter viene scelto con una potenza tale da poter sostenere un carico di picco a lungo termine. La sua tensione di ingresso deve corrispondere alla differenza di potenziale interna del sistema solare.

Per una migliore scelta, si raccomanda di prestare attenzione ai parametri:

1. Forma e frequenza della corrente alternata emessa. Più sono vicine a una sinusoide a 50 Hz, meglio è.
2. Efficienza del dispositivo. Più è superiore al 90% – più è notevole.
3. Consumo proprio dell'apparecchio. Deve essere proporzionato al consumo energetico totale del sistema. Idealmente, fino all'1%.
4. Capacità del modulo di sopportare sovraccarichi brevi doppi.

La soluzione migliore è un inverter con funzione di controller integrata.

Assemblaggio del sistema solare domestico

Abbiamo preparato per Lei una selezione di foto che mostra chiaramente il processo di montaggio di un sistema solare domestico con moduli fabbricati in fabbrica:

Conclusioni e video utili sull'argomento

Video #1. Dimostrazione dell'installazione di pannelli solari sul tetto di una casa fai da te:

Video #2. Scelta delle batterie per il sistema solare, tipi, differenze:

Video #3. Centrale solare per la casa di campagna per chi fa tutto da sé:

I metodi pratici passo passo di calcolo considerati, il principio fondamentale del funzionamento efficiente di un moderno pannello solare in un impianto solare domestico autonomo aiuteranno i proprietari, sia di una grande casa in una zona densamente popolata che di una casetta di campagna in una zona remota, a raggiungere l'indipendenza energetica.

Desidera condividere la sua esperienza personale ottenuta durante la costruzione di un mini impianto solare o solo di un pannello? Ha domande a cui vorrebbe ricevere risposta, ha trovato errori nel testo? La preghiamo di lasciare commenti nel blocco sottostante.