Negli ultimi anni, si è assistito nei principali Paesi industrializzati ad un’esplosione degli impianti solari, nell’ambito di una più generale spinta allo sfruttamento di fonti energetiche alternative e rinnovabili, funzionale alla riduzione delle emissioni di gas serra e dell’utilizzo dei combustibili fossili.
Indiscutibilmente lo sfruttamento del sole presenta grosse potenzialità essendo un’inesauribile fonte di energia a costo zero, cui si può ricorrere nel rispetto dell’ambiente. La quantità di energia solare che arriva in ogni istante sul suolo terrestre è enorme: 50.000 TW, un valore circa diecimila volte superiore a tutta l’energia usata dall’umanità.
Energia fotovoltaica
Le potenzialità del fotovoltaico sono ulteriormente accresciute dalle qualità proprie degli impianti, che presentano ridottissimi costi d’esercizio (combustibile gratuito) e limitate esigenze di manutenzione, sono affidabili, silenziosi e relativamente semplici da installare.
Nel contesto italiano, inoltre, il fotovoltaico registra un forte incremento grazie al Conto Energia, un sistema d’incentivazione che prevede la remunerazione dell’energia elettrica prodotta da impianti connessi alla rete.
Impianto fotovoltaico
Un impianto fotovoltaico collegato alla rete elettrica è formato da diversi componenti e sottosistemi:
• campo fotovoltaico, costituito dalle celle fotovoltaiche, riunite in moduli (o pannelli), a loro volta opportunamente collegati elettricamente tra loro per formare le stringhe. Nella cella fotovoltaica avviene la conversione della radiazione solare in corrente continua;
• inverter corrente continua/corrente alternata, che provvede alla conversione della corrente continua generata dal campo fotovoltaico in corrente alternata con tensione e frequenza compatibili con la rete elettrica;
• sistemi di protezione, posizionati sia sul lato corrente continua, sia tra l’inverter e la rete elettrica per assicurare la qualità del servizio e prevenire eventuali situazioni di rischio per le persone o danni alle apparecchiature.
Correnti e tensioni nell’impianto fotovoltaico
Per ottenere la potenza elettrica di picco richiesta, i pannelli, che generano una corrente di 4÷10 A ad una tensione di 30÷40 V, sono collegati elettricamente in serie, formando così le stringhe che vengono poi messe in parallelo.
Normalmente, si tende a realizzare stringhe formate dal maggior numero possibile di pannelli per ovviare alla complessità ed al costo del cablaggio, soprattutto dei quadri di parallelo delle stringhe. La tensione nominale, infatti, condiziona, tra l’altro, la scelta progettuale dei cavi e degli apparecchi da utilizzare: generare ad una tensione minore corrisponde ad operare con una corrente maggiore, che richiede cavi di sezione più grande; lavorare a tensione più elevata richiede un maggiore isolamento dei cavi e l’utilizzo di dispositivi di sezionamento e protezione di caratteristiche adeguate.
Il numero massimo di pannelli che possono essere collocati in serie in una stringa (e, di conseguenza, la tensione massima che si può raggiungere) è fissato dalle capacità operative dell’inverter e dalla disponibilità di dispositivi di sezionamento e protezione adatti all’utilizzo alla tensione raggiunta. Per ragioni d’efficienza la tensione dell’inverter dipende dalla sua potenza: se si utilizza un apparecchio con potenza inferiore a 10 kW, il campo di tensione che viene normalmente utilizzato varia tra 250 V e 750 V, mentre con potenza del convertitore maggiore di 10 kW, si hanno tensioni tra 500 V e 900 V.
Protezioni lato DC
La progettazione e la realizzazione di un’installazione fotovoltaica, come ogni altro impianto elettrico, deve tener conto di tutte le soluzioni tecnologiche e le prescrizioni normative che preservino la massima sicurezza di funzionamento e l’incolumità di coloro che devono operare sulla struttura, soprattutto se non hanno la dovuta padronanza delle modalità operative dell’impianto.
La possibilità di adottare, per la realizzazione di un campo fotovoltaico, diverse soluzioni costruttive per quanto riguarda la potenza e la tipologia di allacciamento alla rete pubblica, comporta un’accurata scelta dei componenti da parte di progettisti ed installatori.
La presenza anche di alti valori della tensione in corrente continua, unita alle caratteristiche specifiche dei moduli fotovoltaici (impossibilità di togliere tensione se non oscurando i pannelli solari e generazione da parte delle stringhe di correnti di cortocircuito con valori molto prossimi alle correnti prodotte in condizioni normali), richiedono una scelta attenta dei dispositivi di protezione e sezionamento, che devono essere adatti ad estinguere in brevissimo tempo le correnti di cortocircuito continue in presenza di tensioni anche elevate.
Come prescritto dalla norma Cei 64-8, la protezione contro le sovracorrenti deve essere prevista solo nel caso in cui la portata del cavo sia inferiore a 1,25 volte la corrente di cortocircuito, calcolata in qualsiasi punto. Di conseguenza, nella maggior parte degli impianti (quelli di piccole dimensioni o dove sono stati installati più inverter) è sufficiente un interruttore di manovra sezionatore che, secondo le indicazioni della guida 82-25, dovrà essere almeno di categoria DC21.
Per la salvaguardia delle persone dai contatti indiretti, se il generatore fotovoltaico è separato tramite un trasformatore dalla rete di distribuzione in bassa tensione, le parti attive di tutte le apparecchiature possono essere collegate a terra mediante il conduttore di protezione.
In assenza del trasformatore di separazione, il generatore fotovoltaico dovrà essere isolato da terra nelle sue parti attive e diventa un’estensione della rete di alimentazione.
Protezione delle stringhe dalle correnti inverse
Se per l’impianto è prevista una struttura con conversione centralizzata, utilizzando un solo inverter, è necessario proteggere le stringhe dalla possibilità di circolazione di corrente inversa, che potrebbe verificarsi in seguito a guasti o temporanei sbilanciamenti del sistema causati, ad esempio, dal parziale ombreggiamento o dalla copertura da parte di neve, foglie, eccetera di alcuni moduli fotovoltaici.
Queste correnti possono essere molto alte, soprattutto in presenza di un numero elevato di stringhe, non sopportabili dai moduli che sono, quindi, destinati a guastarsi in breve tempo in assenza di dispositivi di protezione.
Diverse sono le soluzioni per effettuare in sicurezza il parallelo delle stringhe di moduli fotovoltaici: se il numero è basso (3÷4 stringhe) e sono formate dallo stesso numero di moduli, si può effettuare il semplice parallelo senza pericolo; in caso contrario, è necessario inserire dei diodi di blocco, dei fusibili o degli interruttori automatici in serie a ciascuna stringa.
Diodi di blocco
Utilizzando diodi di blocco, in base alla norma Iec 60364-7-712, la loro tensione massima inversa deve essere almeno pari al doppio della tensione di stringa a circuito aperto UOC in condizioni Stc.
La corrente diretta massima deve essere superiore alla corrente di cortocircuito ISC dei singoli moduli, con un valore minimo di 1,25 ISC.
Si tratta di una soluzione che non è considerata da tutti come adatta in assoluto per la protezione delle stringhe dalle tensioni pericolose che si possono verificare, in caso di guasto, se il generatore fotovoltaico è realizzato con un punto a terra, condizione che può portare alla rottura di uno o più diodi.
Questi dispositivi, inoltre, introducono nel circuito una caduta di tensione, anche se minima.
Fusibili
L’impiego di fusibili per la protezione delle stringhe è la soluzione maggiormente utilizzata dai progettisti, che privilegiano soprattutto la capacità di questi dispositivi d’interrompere il circuito in caso di guasto, a differenza dei diodi.
Pur essendo semplici da utilizzare, i fusibili devono essere attentamente scelti e dimensionati: devono, infatti, soddisfare alcuni requisiti fondamentali:
- avere caratteristica d’intervento di tipo gR ed essere adatti alla protezione di circuiti con semiconduttori;
- essere dimensionati per corrente non inferiore a 1,25 IS e non superiore a quella indicata dal costruttore per proteggere il modulo; in assenza di indicazioni, si assume debba essere minore o uguale a 2,0 IS;
- essere inseriti in appositi portafusibili e in grado di dissipare la potenza sviluppata nelle peggiori condizioni di funzionamento.
Si tratta di una soluzione caratterizzata da dimensioni contenute e costo competitivo, che, tuttavia, non impedisce completamente alla corrente inversa di circolare nei moduli: questi devono essere in grado, perciò, di sopportare valori di almeno 2÷3 volte la ISC.
Infine, si tratta di componenti che devono essere sostituiti in caso di guasto.
Interruttori automatici
Un’altra soluzione per la protezione delle stringhe fotovoltaiche prevede l’utilizzo di interruttori magnetotermici: i produttori, per queste applicazioni, hanno realizzato apparecchi specifici, progettati con soluzioni tecniche che ne permettono l’impiego in presenza di elevate tensioni in corrente continua.
Le possibili controindicazioni sono supportate da considerazioni di tipo sia economico, sia tecnico: si tratta, infatti, di prodotti più costosi, soggetti ad interventi intempestivi in seguito a sovratensioni transitorie (ad esempio, di origine atmosferica), che richiedono il loro riarmo manuale per il ripristino dell’erogazione di corrente della stringa.
Un vantaggio è senz’altro rappresentato dalla possibilità d’integrare in un unico apparecchio le funzioni di protezione e di sezionamento.
Dispositivi di sezionamento
Nei quadri di parallelo delle stringhe deve essere installato anche un interruttore di manovra/sezionatore in categoria DC21, per permettere la separazione della sorgente fotovoltaica in caso di guasto o, più frequentemente, per quando si devono effettuare operazioni di manutenzione.
L’inserimento nel quadro di parallelo consente di operare su correnti di valore inferiore a quelle che si avrebbero con un unico sezionamento dopo l’inverter e permette di effettuare un distacco selettivo delle diverse stringhe.
Scaricatori di sovratensioni
Essendo i campi fotovoltaici normalmente collocati in luoghi esposti e, per le potenze maggiori, su ampie aree, sono soggetti ai fenomeni atmosferici e possono subire danni in seguito alle sovratensioni generate negli impianti dai fulmini.
Dopo aver effettuato una corretta analisi dei rischi in base alla norma EN 62305-2, per evitare inconvenienti è opportuno installare nei quadri di parallelo delle stringhe scaricatori di sovratensione (spd - Surge Protective Device) su ogni polarità verso terra.
Gli spd sono apparecchi con un impedenza che varia in funzione della tensione applicata: in condizione di riposo presentano, infatti, un’impedenza altissima, che si riduce in caso di sovratensione, scaricando la corrente associata a terra.
È opportuno scegliere spd adeguati, con soglie d’intervento adatte alle tensioni di lavoro del circuito e lo stato d’efficienza dell’apparecchio deve essere costantemente visualizzato localmente ed, eventualmente, anche a distanza, utilizzando prodotti dotati di contatti per la segnalazione remota.
In corrente continua, bisogna evitare l’installazione di spinterometri poiché, una volta innescati, spesso non sono in grado di ripristinare l’isolamento verso terra.
Box
Normative di riferimento per le installazioni fotovoltaiche
Cei 64-8 (Parte 7.712)
Impianti elettrici utilizzatori a tensione nominale non superiore a 1.000 V in corrente alternata e a 1.500 V in corrente continua.
Parte 7.712: Ambienti ed applicazioni particolari - Sistemi fotovoltaici (PV) di alimentazione.
Cei 82-25
Guida alla realizzazione di sistemi di generazione fotovoltaica collegati alle reti elettriche di media e bassa tensione.
Cei 64-57
Guida per l’integrazione degli impianti elettrici utilizzatori e per la predisposizione di impianti ausiliari, telefonici e di trasmissione dati negli edifici. Impianti di piccola produzione distribuita.