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Aumentare l’efficienza dei pannelli solari

lucky — Sun, 19 Apr 2009 14:50:35 +0000

Vediamo come un inseguitore solare ci permette di raddoppiare l’efficienza del nostro impianto fotovoltaico. Oltre a vederne la teoria, presento delle misurazioni pratiche che più di molte descrizioni sono realmente indicative dei risultati.

La teoria
I pannelli solari sono in grado di generare energia elettrica a partire dalla luce del sole. È ovvio quindi che, per avere un buon rendimento, dobbiamo collocare i nostri pannelli in un luogo bene irradiato, soprattutto nelle ore in cui il sole splende al meglio. Per questo motivo solitamente si orientano verso sud, sfruttando le ore di maggior illuminazione.
Cosa significa? Perché non li mettiamo paralleli al suolo, di modo che siano illuminati tutto il giorno? Non è per via della pendenza del tetto che si tende a inclinare i pannelli.
Il sole si riesce a sfruttare con la massima efficienza quando ci si colloca perpendicolare all’irraggiamento. L’inclinazione del pannello solare nasce proprio da qui: è la posizione per cui il pannello risulta essere perpendicolare ai raggi solari quando questi forniscono la massima energia (certo: mediato dall’inclinazione del tetto… era così indipendentemente dal nostro impianto fotovoltaico!).
Da qui si capisce che possiamo ottenere molta più energia se riuscissimo mantenere costantemente perpendicolare al sole la superficie del pannello.
Si può quindi pensare di montare il tutto su un piano motorizzato inclinabile e fare in modo che questo, come un girasole, modifichi continuamente la sua posizione.
Probabilmente per i pannelli sul tetto, il fai-da-te risulterà un po’ difficile, ma per impianti di ridotte dimensioni, sicuramente possiamo auto costruire tutto.

La tecnica dell’inseguitore
Per inseguire il sole dobbiamo montare il pannello su un piano inclinabile rispetto a due assi, ma otteniamo buoni risultati anche se ne utilizziamo uno solo.
Senza addentrarci nei dettagli costruttivi, vediamo come è possibile realizzare la logica di controllo, per muovere il piano e fermarlo automaticamente quando perpendicolare al sole.

La tecnica più utilizzata è quella di basarsi su fotoresistenze montate saldamente al piano e messe opportunamente in ombra, in modo da essere indicative sulla posizione del pannello.
Nel grafico ho schematizzato il meccanismo. Quando il piano si trova perpendicolare al sole, le due resistenze avranno identico valore, altrimenti ci sarà una differenza. Leggendo il valore tramite un controllore, possiamo pilotare il motore per azzerare la differenza.
Facciamo i conti
Ma quanto effettivamente conviene, e quanto ci permette di migliorare questo meccanismo? Riporto il grafico che rappresenta delle misurazioni effettuate su un pannello solare da 10W. Le due linee rappresentano i due casi di pannello fisso e pannello mobile (un solo asse).

Già ad occhio si riesce a vedere una bella differenza, ma preferisco fare dei conti.
Ricordo che l’energia (misurata in watt Ora) si può vedere nel grafico come l’area della curva. Proviamo allora a fare i conti. Per semplicità di calcolo, calcoliamo l’area della figura geometrica che più si avvicina a quanto rappresentato.
In un caso un triangolo (pannello fisso) e nell’altro un trapezio.
Questo calcolo risponde anche alla domanda di chi desidera sapere quanta energia produce un pannello solare in una giornata.

Abbiamo 40,5Wh nel caso di pannello fisso e 99Wh nel caso mobile.
Come si può vedere, più che raddoppiata, cioè più che dimezzata la spesa del pannello solare, a meno dell’inseguitore.

Valutiamo quindi bene eventualità di un costo aggiuntivo che ci permette di dimezzare il tempo in cui ripaghiamo l’investimento. Se poi si tratta di un impianto piccolo, possi dire che sicuramente ne vale la pena, almeno per divertirci a costruirlo!

Alcuni consigli per progettare un impianto fotovoltaico

lucky — Wed, 01 Apr 2009 17:08:54 +0000

Riporto alcuni suggerimenti per migliorare le prestazioni e l’efficienza degli impianti fotovoltaici. Si tratta di considerazioni che non sempre sono considerate ma che richiedono davvero poco per avere miglioramenti notevoli nella resa dell’impianto

La distribuzione della corrente va fatta ad alta tensione. Può sembrare più comodo, avendo già pannello e batteria a 12V, utilizzare questa tensione per la distribuzione. Questo va bene solo se si lavora con basse potenze, quindi per esempio parlando di impianto di illuminazione a basso consumo. Non va dimenticato che a parità di potenza, la corrente (ampere) aumenta col diminuire della tensione (Volt). 100W corrispondono a circa 8A lavorando a 12V e circa 0,45 a 220V.
Corrente alta significa dispersione, cavi grossi e surriscaldamento. La potenza disponibile verrebbe dispersa quasi tutta lungo il cavo. È questo il motivo per cui la distribuzione geografica avviene ad alte tensioni e l’impianto di casa è ad alta tensione

Il pannello deve essere il più possibile vicino alle batterie. Il motivo è lo stesso del punto precedente. In questo modo si accorcia il percorso a bassa tensione, e quindi la tratta di maggior dispersione

Meglio un impianto grande che tanti piccoli. O almeno raggruppare le batterie. Siccome l’utilizzo tramite accumulatore offre i suoi vantaggi da quanto riusciamo a sfruttare la carica della batteria, avere a disposizione due batterie che offrono la stessa energia in due piccoli impianti non rende come averne una grossa. Il rischio è quello di trovarsi con batterie mezze cariche, ma non avere la potenza necessaria

Abbinare un impianto solare termico per il riscaldamento. Riscaldare acqua elettricamente non è efficiente e ci porterebbe a potenze in gioco molto maggiori. Se si affianca un impianto termico e si utilizza la caldaia elettrica come aggiunta si ha maggior efficienza in termini di investimenti (costi) sull’impianto.

Orientare i pannelli a sud garantisce l’esposizione migliore al sole. Va tenuto in considerazione pensando al posizionamento. Ad averne la possibilità si può pensare ad un inseguitore solare, un dispositivo ch varia l’inclinazione a l’orientamento del pannello, in modo da tenerlo costantemente perpendicolare ai raggi solari.

I pannelli vanno mantenuti sempre puliti per migliorarne l’irraggiamento. Decidendo la posizione, consideriamo che devono essere raggiungibili periodicamente. Pensare di metterli sul tetto e dimenticarli significa non avere corrente l’anno dopo…

Tenere in considerazione il periodo invernale per fare i conti. Siccome l’efficienza dipende da molti fattori legati al posizionamento e alla quantità di luce che ricevono, facciamo i conti con il caso peggiore. Secondo chi ci vende l’impianto va sempre bene tutto e non ci sono problemi. Se pensiamo ad un investimento importante, forse ci conviene fare delle rilevazioni preliminari per capire realmente la resa che avrebbe l’impianto finale.

Pensiamo anche al miglioramento dell’efficienza energetica di casa. Non abbiamo ancora lampadine a basso consumo? Possiamo effettuare modifiche anche comportamentali che portano ad una riduzione dei consumi? Sono domande che ci dovremmo fare indipendentemente dall’installazione di un impianto fotovoltaico, ma che sicuramente in questa occasione permettono di avere grandi risultati. Solo un esempio: un temporizzatore permette di distribuire il consumo nell’arco della giornata diminuendo la potenza massima che ci serve.

Fidiamoci di che ci vende l’impianto, ma ragioniamo con la nostra testa: quando si compra, l’impianto è sempre quello che va bene per noi e il migliore che si potesse scegliere. E poi… come mai il costo coincide sempre con il massimo spendibile per ottenere il contributo statale previsto per le agevolazioni fiscali?

Come utilizzare i pannelli solari

lucky — Mon, 23 Mar 2009 16:08:41 +0000

Vorrei presentare alcuni calcoli utili per il dimensionamento di impianti fotovoltaici. L’idea è quella di invertire la solita logica con cui si effettuano i calcoli e partire dal pannello solare: vorrei aiutare nella risposta alla domanda “Cosa posso fare con un pannello solare da 5, 10, … Watt?”. Partendo dalla potenza del pannello arrivare quindi a capire se è ciò che fa per noi.

Ho preso in esame alcune dimensioni tipiche dei pannelli solari più piccoli, pensando a soluzioni di ridotte dimensioni, non ad un impianto domestico completo. Esempi possono essere impianti di illuminazione di giardino o terrazzo, impianto per le casette di legno del giardino, in box, un impianto mobile come un camper o un ambulante e tante altre applicazioni di dimensioni similari.
In base alle potenze in gioco si possono poi fare gli stessi ragionamenti, estendendo le grandezze.
I conteggi si riferiscono ad un impianto costituito da un pannello e una batteria.
Nella prima tabella possiamo vedere quanta energia sono in grado di accumulare in un giorno i differenti pannelli. Nelle due colonne più a destra viene indicata la potenza idealmente erogabile considerando il carico costantemente acceso per 24 ore nel primo caso o solo la notte (12h) nel secondo.

Quando il consumo del carico non è costante, dobbiamo fare i conti utilizzando come criterio l’uso tipico del carico (frequenza di utilizzo e potenza assorbita).
Consideriamo quindi in quanto tempo una batteria viene ricaricata (seconda tabella).

In base a questi tempi e alle potenze necessarie possiamo capire le dimensioni. I giorni di ricarica ci aiutano a capire “ogni quanto tempo posso scaricare la batteria”.

Per completezza mi sembra corretto inserire indicazioni su alcuni parametri più “pratici”: per ciascun pannello ho indicato dimensioni fisiche e prezzo. I valori sono ovviamente indicativi e rappresentano una media tra un negozio che ho vicino a casa e prezzi rilevati da Ebay.

Un paio di esempi per comprendere l’utilizzo delle tabelle:

Illuminazione notturna di un giardino. Ipotizziamo di avere delle lampade che consumano 21W complessivamente e vogliamo lasciarle accese per tutta la notte. Guardando la prima tabella identifichiamo il pannello ideale: 40W
Impianto elettrico del box, dove durante il fine settimana ci dilettiamo col fai-da-te (il mio caso…). Innanzi tutto vediamo se la batteria da 60Ah è sufficiente. Un utensile tipicamente consuma dai 300W ai 500W. Considerando 400 di media, 720/400 = 1.8. Significa che possiamo tenerlo acceso ininterrottamente per quasi 2 ore. Se è il nostro caso, la batteria è sufficiente. Direi di sì… A questo punto vediamo che 5 giorni di ricarica dei 20W sono l’ideale per noi.

Progettare un impianto fotovoltaico domestico

lucky — Wed, 18 Mar 2009 11:08:07 +0000

Si sente parlare ormai spesso di pannelli solari, impianti fotovoltaici, conto energia, ma il pensiero dell’impianto solare in casa continua ad essere considerato con un certo distacco, qualcosa di astratto sia per difficoltà tecniche, che per il fatto che non si riesce ad ottenere indicazioni precise sui costi effettivi e sui vantaggi.
Con questo articolo vorrei descrivere la progettazione di un impianto, mostrando i calcoli necessari per il dimensionamento, fino ad arrivare ai conteggi economici. L’obiettivo è dimostrare che si tratta di qualcosa alla portata di tutti e che non sono necessari grossi investimenti, come spesso invece si pensa. Inoltre vedremo come è possibile pensare ad un impianto misto, realizzabile anche in appartamento in città, avendo da subito benefici economici

Innanzi tutto dobbiamo definire lo scopo che vogliamo raggiungere: possiamo realizzare un impianto che produce energia e la immette nella rete elettrica “rivendendola” al nostro fornitore di energia, oppure un impianto che produce energia, ci permette di accumularla ed essere autonomi (totalmente o in parte) dal fornitore di energia elettrica. Mi vorrei concentrare su quest’ultimo caso, dove l’indipendenza può essere totale o parziale. Indipendenza totale significa che produciamo abbastanza energia da essere autonomi, parziale significa che dividiamo l’impianto elettrico di casa in due sezioni: una alimentata da noi e l’altra alimentata come adesso. Per esempio possiamo concentrarci sull’illuminazione, realizzando un mini impianto solare.

Gli elementi di un impianto
Nel disegno è illustrato l’impianto tipo. Gli elementi essenziali sono:

il pannello solare
la batteria
il regolatore di carica
l’inverter

Il pannello solare produce energia elettrica. Lavora solitamente a bassa tensione (12 o suoi multipli). La batteria accumula energia elettrica tramite il controllore di carica. L’inverter serve per innalzare la tensione a 220V.

Alcune basi prima di addentrarci nei calcoli: energia e potenza.
Gli apparecchi elettrici hanno un consumo espresso in Watt. Questo indica la potenza necessaria per accenderlo. Utilizzare come grandezza di riferimento la potenza porta notevoli vantaggi nello svolgimento dei calcoli e nei ragionamenti: le potenze si sommano e sono indipendenti da tensione e corrente. Una lampadina da 100W consuma 100W per ogni istante in cui è accesa. Accenderne un’altra porta ad un consumo totale di 200W, anche se la prima funziona a 220V e la seconda a 12V.

Come si fa allora ad individuare il fabbisogno di energia, sempre pensando al nostro impianto? Dobbiamo capire come passare dalla potenza all’energia (o lavoro).
Possiamo vedere l’energia come la misura della capacità della potenza. Quanta energia serve per tenere accesa la lampadina di prima? Dipende da quanto tempo deve restare accesa. Se la vogliamo accesa per un’ora dobbiamo fornire 100W per un’ora, cioè
100W x 1h = 100Wh
Ecco una grandezza che ci è famigliare, almeno perché è quella presente nella bolletta, per cui ci viene addebitata l’energia.
La capacità delle batterie è solitamente espressa in Ah (Ampere ora). Ricordiamo che W = V x A. Per fare un esempio, una batteria da macchina da 12V 45Ah ha una capacità di 12×45 = 540Wh
Con questa batteria possiamo tenere accesa la lampadina per 5,4 ore, oppure due lampadine per 2,7 ore, e così via.
Già questa considerazione ci fa capire che senso ha l’utilizzo di una batteria in un impianto.
Manca un ultimo passaggio: la batteria deve essere caricata. Significa che questi 540Wh in qualche modo devono entrare. Per fare questo basta far entrare dell’energia nella batteria con un qualsiasi generatore (di solito si usa il caricabatterie, ma un pannello solare va bene uguale…!)
Se considero di tenere in carica la batteria per 10 ore, dovrò avere un caricatore in grado di erogare 540/10 = 54W costantemente per tutte le 10 ore.

Dimensionamento dell’impianto
Dovremmo avere tutti gli elementi per effettuare il dimensionamento del nostro impianto.
I tre elementi da prendere in considerazione sono:

energia richiesta: il nostro consumo che vogliamo coprire
potenza del pannello solare
capacità della batteria

Immaginiamo di voler realizzare un impianto per la sola illuminazione di casa. Dobbiamo analizzare il nostro consumo, in base a quanto e quante luci teniamo accese durante il giorno. Dobbiamo considerare il caso peggiore: in pieno inverno.
Stanza per stanza, va conteggiato il tempo in cui la luce resta accesa. Esempio: Cucina 1 ora la mattina e 2 la sera, camera 1 ora mattina e 2 ore la sera, bagno: 1 ora sommando tutto, salotto: 5 ore la sera. Ipotizzando tutte lampadine da 100W, con un totale di 12 ore abbiamo 1200Wh = 1,2kWh
Iniziamo a ridurre i consumi: sostituiamo le lampadine ad incandescenza 100W con le equivalenti a risparmio energetico da 20W. Con questo valore l’energia che ci serve è 240Wh

Potenza del pannello solare.
Il pannello solare deve essere in grado di fornire l’energia richiesta. Se consideriamo che il funzionamento del pannello è concentrato in 8 ore, la potenza che deve erogare è di 240/8 = 30W

Capacità della batteria
La necessità stretta è avere una capacità almeno pari al fabbisogno. Possiamo fare alcune considerazioni che ci permettono di ottimizzare l’impianto: siccome il consumo da lunedì a venerdì e nel week end è differente, lavorando sulla batteria non abbiamo bisogno di dimensionare i pannelli per il caso peggiore. Immaginiamo di utilizzare con questi conti un pannello solare da 40W.
Per i 5 giorni della settimana 40×8 = 320 Wh in ingresso – 240 Wh consumati
Significa che ogni giorno ho un avanzo di 80Wh, che sabato mattina sono 80×5 = 400Wh
200Wh disponibili per sabato e 200 per domenica, con la possibilità di portare da 240 a 440 l’energia disponibile.
Con questa considerazione la batteria deve avere una capacità di 240 + 400 = 640 Wh
Siccome le batterie sono a 12V, 640/12 = 53,3 Ah. Quindi ne compriamo una da 60.

Inverter:
Se ci limitiamo all’illuminazione, possiamo pensare di utilizzare lampadine a 12V, quindi non è necessario. In caso contrario, la dimensione è quella del carico istantaneo (Watt) che deve sopportare. Quante lampadine accese contemporaneamente nel caso peggiore? Si sommano le potenze e si ottiene il valore.

Riepilogando:
Pannello solare 40W: 170 ?
Batteria 60Ah: 90 ?
Controllore di carica: 30 ?
Spesa totale: 290 ?
Consideriamo poi il risparmio de 55% dovuto alla detrazione sulla dichiarazione dei redditi
Spesa reale 130 ?

Vediamo il risparmio in bolletta. Considerando il costo medio attuale di 0,25 ? per kWh, il risparmio è di 1,2 x 0,25 x 365 = 109,5 euro annui
In poco più di un anno si ripaga l’investimento

Il pannello solare da 40W ha dimensioni di un poster (62×53) è quindi installabile tranquillamente su un balcone. Per realizzare l’impianto finalizzato alla sola illuminazione si deve intervenire sull’impianto elettrico di casa isolando la zona. Negli impianti di nuova costruzione il sezionamento è quasi sicuramente già fatto, altrimenti si deve intervenire stanza per stanza, un lavoro di circa mezza giornata.