Grid-legato solare fotovoltaico (PV) Sistema

La maggior parte dei sistemi fotovoltaici sono sistemi collegati alla rete che funzionano in combinazione con l’energia fornita dalla società elettrica. Un sistema solare collegato alla rete ha un inverter speciale che può ricevere energia dalla rete o inviare energia CA di qualità della rete alla rete elettrica quando c’è un eccesso di energia dal sistema solare.

Grid-legato sistema solare fotovoltaico

Inoltre, la società di servizi può produrre energia da fattorie solari e inviare energia alla rete direttamente.

Impianti fotovoltaici residenziali e di piccole dimensioni

I sistemi fotovoltaici a rete possono essere installati con o senza batteria di backup. Il più semplice sistema fotovoltaico collegato alla rete non utilizza il backup della batteria, ma offre un modo per integrare una frazione della potenza di utilità. I componenti principali di questo sistema sono i moduli fotovoltaici e un inverter.

Impianto fotovoltaico residenziale collegato alla rete (Fonte: Wikipedia)

I moduli possono essere collegati in serie all’inverter se non vengono superati i limiti di tensione, oppure è possibile utilizzare una scatola combinatore separata per combinare le uscite dei vari moduli in parallelo.

L’inverter deve essere un tipo speciale che può essere collegato direttamente alla scatola dell’interruttore CA, quindi deve convertire la CC dai moduli fotovoltaici in CA compatibile con la rete e abbinare la fase dell’onda sinusoidale di utilità.

Deve anche essere in grado di scollegare l’impianto fotovoltaico (utilizzando un interruttore automatico di trasferimento) quando la rete è giù, quindi deve essere un inverter approvato che soddisfa lo standard UL 1741. Un interruttore di trasferimento è un interruttore automatico che può commutare i carichi tra fonti di alimentazione alternative senza interrompere la corrente.

Uno schema a blocchi di base di un impianto fotovoltaico collegato a rete con moduli fotovoltaici in serie è mostrato nella Figura 1.

Rispetto ad un sistema con backup a batteria, un sistema privo di batteria come questo è meno costoso, più facile da installare e quasi privo di manutenzione. Ha il vantaggio di non dover fornire tutta la potenza necessaria per la casa o per affari; può compensare qualsiasi frazione della potenza e avere l’utilità compongono la differenza.

Se la rete è affidabile, come nella maggior parte delle aree urbane, un sistema senza batteria offre le migliori prestazioni per dollaro speso.

Per molti edifici per uffici commerciali, negozi e edifici industriali, un sistema senza batteria ha senso. Questi tipi di edifici sono normalmente occupati durante le ore diurne, corrispondenti ai tempi in cui la risorsa solare è disponibile.

Di solito, i moduli possono essere installati sul tetto dell’edificio o su una struttura di parcheggio, quindi la terra non viene sacrificata per l’array. Il sistema può essere impostato in modo che qualsiasi potenza in eccesso viene venduto di nuovo al programma di utilità, alleviare qualsiasi preoccupazione per il fine settimana o la vacanza capacità inutilizzata.

Figura 1 Sistema solare fotovoltaico a griglia senza batteria semplificato

UL Standard 1741

I Underwriters Laboratories® (UL) è un’organizzazione indipendente di certificazione di sicurezza dei prodotti che scrive standard per la sicurezza e verifica la conformità dei prodotti.

Lo standard UL 1741 elenca i requisiti per inverter, convertitori, regolatori di carica e apparecchiature del sistema di interconnessione sia per sistemi di alimentazione interattivi (collegati alla rete) che per sistemi non collegati alla rete.

Altri standard UL sono scritti per moduli fotovoltaici e scatole di giunzione, cablaggio, connettori, batterie e sistemi di montaggio. Ad esempio, lo standard UL 1703 specifica gli standard per impianti fotovoltaici fino a 1.000 V.

Le aziende che ricevono la certificazione UL possono visualizzare il marchio UL sul / i prodotto / i.

Residenziale e piccolo impianto fotovoltaico Grid-legato con batteria di backup

Grid-legato impianti fotovoltaici con una batteria di backup può continuare a fornire energia ogni volta che la griglia va giù. Il sistema può passare senza problemi all’alimentazione di backup quando si verifica un’interruzione elettrica. Contemporaneamente, disconnette il sistema dalla griglia in modo che non invii l’alimentazione quando la griglia è inattiva.

Carichi di backup

Un piccolo sistema con una capacità di backup completa della batteria è molto più costoso di un sistema senza batteria.

Un modo per ridurre i costi è quello di dividere il sistema in carichi di backup e carichi non di backup, riducendo così il numero di batterie necessarie, risparmiando i costi iniziali e riducendo i requisiti di manutenzione e spazio.

Questa opzione richiede il ricablaggio del pannello di servizio e il posizionamento di carichi non sottoposti a backup su un pannello dedicato separatamente da quelli sottoposti a backup. Essenzialmente, questa opzione equivale ad avere due sistemi, ma ricablare un pannello può essere un’opzione più economica rispetto a un sistema completamente eseguito il backup.

Un sistema con carichi di backup e carichi non di backup è mostrato nello schema a blocchi in Figura 2. I pannelli sono mostrati andando a una scatola combinatore, ma una disposizione in serie è un’altra opzione per il collegamento dei moduli.

Una scatola combinatore è una scatola di connessione elettrica per combinare le uscite di più pannelli solari in un’unica uscita DC.

Figura 2 Sistema di backup della batteria semplificato per parte del carico CA

Quando il sistema è in modalità grid-interactive, l’inverter preleva energia dalle sorgenti e la invia ai carichi di backup. I carichi principali sono alimentati direttamente dalla rete.

Se dai moduli fotovoltaici proviene più energia di quella necessaria ai carichi di backup, l’eccesso viene immesso sulla rete tramite un interruttore di trasferimento interno, con conseguente credito per il proprietario dell’abitazione (misurazione netta).

Quando la griglia è giù o fuori specifica, l’interruttore di trasferimento si apre e solo i carichi di backup ricevono energia dall’inverter. I carichi principali dipendono esclusivamente dalla griglia, quindi saranno spenti fino al ripristino dell’alimentazione.

Dimensionamento inverter fotovoltaico

La dimensione dell’inverter e del backup della batteria necessari per un sistema parzialmente sottoposto a backup richiede un’analisi dei carichi che verranno messi sul sistema di backup.

Per stimare il fabbisogno di potenza per i carichi di backup, la potenza di ciascun carico può essere riassunta su un foglio di calcolo. I motori hanno bisogno di più potenza durante l’avviamento che durante il funzionamento, quindi il sistema deve essere dimensionato in base alla potenza di avviamento. Dai risultati di questa analisi, è possibile selezionare l’inverter, comprese varie opzioni. Un’opzione è quella di utilizzare inverter che possono essere impilati.

Il termine stacking si riferisce al collegamento di due inverter per fornire uscite split-phase 120/240 V. Un’altra opzione disponibile su alcuni inverter è quella di fornire un ingresso generatore del motore di backup.

Banco batterie per impianto fotovoltaico

Il banco batterie è dimensionato in base al numero di giorni di autonomia richiesti. La dimensione può essere basata su modelli storici di tempo che la griglia è giù.

In generale, un sistema che esegue il backup della griglia viene ciclato solo quando la griglia è inattivo, quindi le considerazioni di dimensionamento sono diverse rispetto al sistema grid-free, che cicla quotidianamente.

Una profondità di scarico dell ‘ 80% è appropriata per un sistema che viene pedalato raramente e il numero di giorni di autonomia si basa sulle prestazioni della griglia piuttosto che sui modelli meteorologici.

Il ciclo poco frequente significa che le batterie sigillate possono essere una buona scelta per un sistema di backup perché richiedono meno manutenzione rispetto ai tipi allagati.

Lo svantaggio delle batterie sigillate è che sono più costose e hanno un’aspettativa di vita più breve rispetto ai tipi allagati.

Per i sistemi di backup della batteria, sono utili i misuratori della batteria che possono segnalare lo stato di carica. Questi metri mostrano la tensione, la corrente e la percentuale di carica completa.

Un’altra opzione è un misuratore di potenza che monitora le prestazioni del sistema e avvisa l’utente delle condizioni di guasto.

Studi hanno dimostrato che i sistemi di monitoraggio incoraggiano il risparmio energetico e che informazioni più dettagliate portano a una maggiore conservazione.

Piccoli impianti fotovoltaici con Micro inverter

I sistemi mostrati in precedenza portano la DC ad un inverter centrale e lo convertono in AC a quel punto. Un’altra opzione che sta crescendo in popolarità è quella di utilizzare un microinverter in ogni modulo.

Un microinverter è un convertitore da CC a CA dimensionato per funzionare con un singolo modulo solare. Pertanto, può fornire il massimo monitoraggio del punto di potenza per il modulo e una maggiore efficienza, in particolare per situazioni come un singolo modulo ombreggiato che ha ridotto l’output. Un sistema di base è illustrato nella Figura 3.

Ogni inverter mette fuori griglia-compatibile AC che è sincronizzato con altri microinverter nel sistema. I microinverter sono installati in parallelo tra loro per formare un circuito di derivazione.

I circuiti di derivazione sono spesso combinati in un sottopannello. Il risultato è un sistema più modularizzato; se un modulo o un microinverter fallisce, il resto del sistema continua a funzionare (a uscita ridotta) perché gli altri microinverter sono collegati in parallelo e uno open source non influisce sul funzionamento degli altri.

Il modulo difettoso o microinverter può essere riparato senza prendere il resto del sistema offline; tuttavia, il modulo difettoso può avere bisogno di essere rimosso per la manutenzione.

Alcuni moduli sono dotati di un microinverter incorporato e circuiti per ottimizzare l’uscita.

I micro inverter incorporati non hanno accesso ai circuiti CC dal modulo fotovoltaico, ma eliminano il cablaggio CC, i connettori, le scatole combinatore e così via. Ciò semplifica l’installazione, rendendo il sistema globale efficiente e conveniente. Elimina anche i circuiti CC ad alta tensione (fino a 600 V), quindi il sistema di micro inverter è più sicuro dei sistemi ad alta tensione con un inverter centrale.

Figura 3 Sistema di micro inverter di base. DC da ogni modulo viene convertito in ac dove è collegato ad altri micro inverter nel sistema.

Impianti fotovoltaici commerciali e istituzionali

I sistemi fotovoltaici commerciali e istituzionali possono offrire economie di scala e spesso hanno il vantaggio di una domanda relativamente inferiore di energia elettrica di notte.

La maggior parte di questi sistemi sono progettati per ridurre la domanda di energia elettrica per un utente più grande come un’azienda, una scuola o un impianto di produzione, quindi il sistema è progettato per essere un sistema fotovoltaico collegato alla rete.

Alcuni sistemi sono progettati come sistemi off-grid per applicazioni remote, come un impianto fotovoltaico che è stato installato per un santuario marino sulle isole Farallones.

Il santuario marino aveva precedentemente importato diesel per far funzionare generatori per l’elettricità. Oltre a integrare l’alimentazione di utilità, un’altra applicazione per gli stabilimenti commerciali e istituzionali è quella di fornire una stazione di carburante solare per i propri dipendenti o il pubblico da utilizzare.

I pannelli solari sono montati sopra un’area di parcheggio e forniscono energia di ricarica ai veicoli elettrici, un’eccellente corrispondenza della risorsa disponibile con il bisogno (ricarica dei veicoli elettrici). Figura 4 mostra una stazione di carburante solare.

Molte comunità ed enti governativi stanno fornendo queste stazioni presso i parcheggi pubblici per incoraggiare l’uso di veicoli elettrici e per ridurre le emissioni.

Figura 4 Stazione di alimentazione solare. I moduli solari di questa stazione di rifornimento sono utilizzati per caricare veicoli elettrici.

Impianti fotovoltaici collegati alla rete

In alcune aree, le utility hanno costruito grandi array fotovoltaici progettati per alimentare la rete. Le utility hanno molte considerazioni diverse per l’implementazione di sistemi fotovoltaici solari perché forniscono energia piuttosto che consumarla.

Quando una società di servizi sta valutando l’aggiunta di energia solare, il sistema viene prima analizzato e modellato per determinare gli effetti, il bilanciamento del carico, il carico delle apparecchiature e i problemi di qualità dell’alimentazione.

Si valutano il costo complessivo, come eventuali nuovi sistemi di trasmissione e distribuzione necessari, e l’impatto sugli impianti esistenti, come la riduzione dei costi del carburante.

In alcuni casi, potrebbe essere più economico sviluppare sistemi distribuiti utilizzando array solari più piccoli distribuiti su alimentatori specifici per gestire carichi aggiuntivi e ridurre i costi di capitale.

I sistemi distribuiti possono anche ridurre i costi di linea a causa della potenza dissipata nelle linee di trasmissione.

Domande di revisione

1. Qual è il requisito per gli inverter fotovoltaici collegati alla rete?
2. Quali sono due ragioni per avere un impianto fotovoltaico collegato alla rete che non viene eseguito il backup?
3. In che modo il dimensionamento di un array di batterie in un impianto fotovoltaico collegato alla rete differisce dal dimensionamento di un array di batterie in un sistema grid-free?
4. Perché il monitoraggio costante del sistema è utile per un impianto fotovoltaico collegato alla rete?
5. Quali fattori di costo dovrebbero considerare le utility per aggiungere risorse fotovoltaiche solari che il proprietario di una casa non deve considerare?

Risposte:

1. Gli inverter fotovoltaici collegati alla rete devono sincronizzare la loro uscita con l’utilità ed essere in grado di scollegare il sistema solare se la rete si abbassa.
2. (1) Un sistema progettato per integrare l’alimentazione di rete e non sostituirlo in qualsiasi momento non ha bisogno di backup, quindi l’installazione è semplificata. (2) Il backup della batteria è costoso, occupa spazio e richiede una manutenzione regolare.
3. In un impianto fotovoltaico collegato alla rete, la batteria deve sostituire la rete solo durante le interruzioni, quindi la probabilità e la durata delle interruzioni è il fattore chiave per determinare le dimensioni della batteria. In un sistema autonomo, il fattore chiave nel determinare le dimensioni della batteria è il tempo nella posizione e le prospettive per lunghi periodi di nuvole o pioggia che impedirebbero al sistema di funzionare al meglio.
4. Il monitoraggio del sistema può fornire dati sulle prestazioni di base per il sistema e aiutare a individuare i problemi con il sistema.
5. Alcuni fattori che le utility devono considerare sono il bilanciamento del carico; carico delle apparecchiature; problemi di qualità dell’alimentazione; costo complessivo, inclusi eventuali nuovi sistemi di trasmissione e distribuzione; così come molti altri fattori.