Impianto Fotovoltaico a basso costo [IT]

Descrizione progetto

Fotovoltaico sìì! Come molti di noi trovo affascinante questo argomento e dopo tanto esitare mi sono deciso a raccogliere informazioni sull’argomento per mettere su un piccolo prototipo in casa.

Il piano: alimentare il mio studio che ha una dotazione minimale di dispositivi cioè un notebook, una lampada, un caricabatteria per smartphone, la luce della stanza. Lo schermo secondario del notebook per adesso rimane fuori dal discorso (consuma troppo!).

I miei requisiti: l’impianto deve essere espandibile in maniera facile cioè possibilmente aggiungendo soltanto pannelli ed eventualmente batterie.

Complicazioni: la cosa più complicata, almeno per me, è riuscire a sistemare i vari pezzi dell’impianto (pannelli, quadro e cavi) in modo da fare un lavoro pulito rispetto alla casa; voglio ridurre al minimo buchi, canaline ed altre robe anti-estetiche.

Budget: per questa prima versione ho un budget di circa 100€ escluse le batterie su cui faremo una pensata più sotto.

Il risultato

Dopo aver scelto e comprato i vari pezzi, con una settimana di lavoro a tempo perso sono arrivato a montare tutto ed a vederlo funzionare. Si vedono entrambi i pannelli collegati (in parallelo) ad una scatola di distribuzione nera. I fili volanti sono messi in canaline (argh! brutte, ma i pannelli senza fili…. magari!).

I pannelli sono esposti uno a sud-est ed uno a sud-ovest; il primo ha un’esposizione tale da catturare il Sole durante la mattina, il secondo durante il pomeriggio. L’angolazione dei pannelli non è affatto ottimale e rispetto alla resa massima perdo circa il 25%.

Il progetto iniziale

Decido di partire con una dotazione minimale dell’impianto per vedere se il risultato è quello che spero e cercherò di costruirlo in modo da poterlo espandere. In prima battuta, dopo aver fatto un po’ di calcoli, avevo pensato ad un pannello da 100W, 40A di batteria. Poi, invece, ho preso un primo pannello da 50W, 12V a 36 celle, due batterie da 9Ah a 12V (in parallelo, totale 18Ah 12V), in quanto ai fini del test andavano più che bene. Visto funzionare il primo pannello ho acquistato subito il secondo, nuovamente 50W, 12V, 36 celle e l’ho collegato in parallelo al primo (positivo con positivo, negativo con negativo) per ottenere un totale di 100W nominali a 12V.

Lo schema semplificato mostra l’uscita del pannello che va in ingresso al regolatore; l’uscita del regolatore che va a caricare la batteria; l’uscita della batteria che va all’ingresso dell’inverter; l’uscita dell’inverter (non mostrato) è una comune presa AC 220V come quelle di casa a cui collegare i propri apparati.

Il regolatore di carica è di tipo MPPT, preferibile quando la tensione operativa dei pannelli è superiore alla tensione di carica della batteria in quanto la tensione in eccesso non viene “tagliata” bensì trasformata in un aumento dell’amperaggio. Trattandosi di pannelli a 36 celle, non a 30 celle, la scelta migliore è regolatore MPPT.

Considerazione: mi sono orientato verso un impianto tutto a 12V (batteria, regolatore di carica, inverter), laddove, invece, su impianti più importanti ha senso lavorare su voltaggi a 24V (in parole non tecniche si ottiene un sistema di capacità raddoppiata, ovviamente con costi maggiori) o 48V o più. Questa è una scelta che si fa all’inizio e che determina l’acquisto degli apparati: pannelli, inverter, regolatore di carica e batterie, difatti, normalmente funzionano ad un determinato voltaggio, ad es. a 12V, e tutto l’impianto lavorerà a questa tensione. Quindi, laddove voglio espandere il sistema (con batterie o pannelli) li collego in parallelo per mantenere lo stesso voltaggio. Esistono regolatori ed inverter che funzionano con tensioni multiple, 12V e 24V, ma ritorniamo al discorso dei costi e del mio budget limitato.

Riassumendo i pezzi principali acquistati inizialmente sono i seguenti.

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I pannelli mi sono arrivati diversi per puro caso, avevo ordinato due policristallini, i dati di targa sono molto simili; ho pensato che dovessero essere molto simili tra loro visto che li collego in parallelo per evitare dislivelli di voltaggio o strani fenomeni intorno alla corrente. L’inverter a 12V lo volevo ad onda sinusoidale pura per poterci collegare anche apparati elettrici sensibili alla curva di corrente; 1000W di picco sono più che sufficienti considerando che un’erogazione di 250-300W dovrebbe portarlo vicino al suo limite operativo. Le batterie le ho scelte al piombo di tipo AGM VRLA da 12V 9A cadauna, messe in parallelo per ottenere 12V 18A nominali. Collego tutto con fili volanti, accendo e funziona!

E fin qui tutto liscio. Ora bisogna capire come collegarli (passaggio dei cavi), come avere sicurezza (magnetotermici, fusibili, ecc), come vedere cosa accade (monitoraggio) e soprattutto come fissarli (giorni e giorni a cercare un compromesso ottimale tra spazio disponibile e redditività -quest’ultima sacrificata a causa dell’inclinazione dei pannelli). Quindi, mentre mi faccio un’idea di come fissare i pannelli usando il materiale che ho in casa (con la paura del vento che qualche anno fa ha staccato i tetti delle case) completo il progetto aggiungendo tutto ciò che ho pensato.

Lo schema completo, partendo dai due pannelli collegati in parallelo (+ con + e – con -, per ottenere il doppio degli ampere mantenento il voltaggio sempre a 12V) prevede:

• Collegati tra Pannello ed ingresso Pannello del regolatore:
  • Interruttore magnetotermico DC 20A 440V; protezione da sovra-corrente e corto-circuito;
  • Uno schermo che mostra Volt/Ampere del pannello (su questo ho avuto una fusione del cavo di alimentazione, ne parlo dopo uhm…).
• Collegati all’uscita Batteria del regolatore:
  • Batterie AGM VRLA 2 x 9A 12V in parallelo = 18A 12V;
• Collegati alla Batteria (in sequenza):
  • Portafusibili su entrambi i poli e fusibili 10×38 da 10A 500V;
  • Schermo che mostra Volt/Ampere sulla batteria;
  • Inverter 1000W 12V onda sinusoidale pura.
• Collegati sull’uscita AC dell’inverter :
  • Energy Meter che mostra Volt, Ampere, Watt e totale KWatt;
  • Interruttore magnetotermico AC 10A 220V;
  • Teleruttore/Contattore AC 25A; quando l’inverter smette di erogare corrente commuta sulla rete Enel;
  • Multipresa per gli apparati AC.

Cosa manca? Uno scaricatore di tensione DC prima del magnetotermico DC dei pannelli ed un interruttore per scollegare l’accumulo, comodo se voglio operare sulle batterie.

Cosa bisogna sapere sulla produzione di energia solare

Diciamo che prima di iniziare bisogna ragionare su quanta corrente si vuole generare, quanta se ne vuole consumare e quanta accumulare ed in che modo: qualche calcolo? yes! Si tratta del dimensionamento dell’impianto.

I dispositivi che voglio alimentare col solare assorbono circa 18W (notebook I5), 10W (caricabatterie cellulare), 6W (lampadina a led), totale 34W. Ora il discorso più delicato sui pannelli e sulle batterie, ho fatto dei test in due scenari diversi:

• Scenario n.1 – Utilizzo dei dispositivi durante mattina e pomeriggio; qui il pannello produce, il regolatore carica la batteria; l’inverter preleva dalla batteria converte DC in AC ed alimenta i miei dispositivi;
• Scenario n.2 – Carica delle batterie mattina e pomeriggio; il sistema opera in modalità di accumulo; utilizzo dei miei dispositivi la sera utilizzando la corrente delle batterie erogata dall’inverter.

Si tratta di due scenari profondamente diversi ed in base ai quali ci si regola diversamente nell’acquisto dei componenti. Per entrambe le modalità supponiamo, e non è il mio caso, che i pannelli siano collocati in modo da avere una buona esposizione al Sole, cioè sul tetto, angolazione circa 32° rivolti a sud-est (quindi senza motori per ruotarli / inseguitori solari).

Nello scenario n.1 (utilizzo dei dispositivi durante mattina e pomeriggio, assorbimento 34W), partendo da batterie cariche si riesce a mantenere i dispositivi accesi e funzionanti e le batterie rimangono cariche. Quando il Sole inizia a calare (18.30-19.00 quando ho provato) si rimane con l’autonomia del pacco batterie e con 18Ah si hanno circa 1,1 ore di operatività prima che l’inverter arrivato a 10.6V di batteria si spenga.

Nello scenario n.2 (carica delle batterie mattina e pomeriggio, uso notturno dei dispositivi, assorbimento 34W) dalle mie misure, durante mattina e pomeriggio, si potrebbero caricare tranquillamente 54Ah (in realtà ne ho calcolati 72 ma non vorrei sbagliarmi non avendoli provati) di batterie che garantirebbero circa 3,2 ore di autonomia (4,4 ore con 72Ah di accumulo).

Nel test di durata del pacco batterie da 18Ah con un carico di 6W (lampada a 220V collegato sull’inverter) ho misurato il calo di tensione della batteria utilizzato di sera, quindi senza produzione solare, fino ad arrivare al voltaggio di batteria scarica (10,6V). L’autonomia misurata è stata di 6 ore e 6 minuti.

Passi preliminari, un quadro di controllo

Prima di passare al montaggio finale (crimpare e passare i cavi, fissaggio al balcone) voglio allestire lo spazio dove mettere batterie, inverter ed interruttori/fusibili. Servono un po’ di attrezzi per preparare il quadro di controllo del sistema che sarà collocato all’interno dello studio. La scelta era tra lasciarlo esterno (zona protetta in balcone) oppure portarlo in stanza, ho optato per questa seconda soluzione. Il cablaggio, complessivamente una decina di metri di cavo è suddiviso in tre segmenti connessi tramite scatole di distribuzione in cui convogliano i cavi in modo da poter intervenire all’occorrenza più comodamente su un segmento dell’impianto.

Nel quadro di controllo devono entrare i cavi + e – dei pannelli solari; li collegherei a dei dispositivi di sicurezza dopodiché farei uscire i due cavi verso l’inverter. All’uscita dell’inverter collego una multipresa. Inoltre, voglio due schermi che mi dicano della corrente continua (DC): quanta corrente entra nel quadro (sorgente panelli solari) e quanta corrente va alle batterie. Infine voglio sapere quanta corrente alternata (AC) sto generando ed utilizzando.

Possibili estensioni

Per come è dimensionato il sistema con i 20A del regolatore di carica ed i componenti del quadro l’espansione massima che potrei raggiungere è di 200W di pannelli (4 x 50W, 12V, 36 celle) che per me sarebbe dimensionato bene con 72Ah di batterie, ottenendo un buon accumulo per l’utilizzo notturno dei miei dispositivi.

Pensata sull’inseguitore solare

Comprarlo comporta dei costi importanti, soprattutto per averlo resistente a forti venti. E’ abbastanza facile da realizzare dal punto di vista elettronico ma la parte meccanica che include eventualmente realizzare (o far realizzare) delle strutture portanti in metallo è fuori dalla mia portata (e fuori budget!), sono abituato ad arrangiarmi con i pezzi che ho, al massimo faccio qualche foro in legno, metallo e plastica!

La mia conclusione è stata che per motivi di semplicità ed anche di costi preferisco aggiungere un pannello solare, anche se non renderà al massimo, invece di spendere per massimizzare la resa dei pannelli. Nel frattempo mi sono procurato dei motori abbastanza grossi con cui eventualmente realizzare un prototipo di inseguitore, vedremo.