Cosa occorre per un sistema fotovoltaico off-grid?

Mentre molte persone pensano solo ai pannelli solari quando sentono “solare fuori rete”, la realtà è che è necessario aggiungere molti altri componenti per ottenere un sistema fotovoltaico fuori rete funzionante. Un sistema solare off-grid completo è quello che ha tutte le attrezzature necessarie per generare, immagazzinare e fornire energia solare in loco. Poiché i sistemi solari off-grid funzionano senza una connessione a nessuna fonte di alimentazione esterna, vengono anche definiti “sistemi di energia solare autonomi”. Ma quali componenti occorrono per realizzare un impianto solare off-grid?

Che attrezzatura richiede un sistema solare off-grid?

A differenza di altri tipi di configurazioni solari, i sistemi fotovoltaici fuori rete fanno affidamento sulle batterie – ma non solo – per fornire energia quando il sole non è disponibile. Le batterie, tuttavia, sono costose, molto più dei pannelli solari a cui sono abbinate. La necessità di un ampio accumulo di batterie nei sistemi solari fuori rete li rende molto più costosi dei sistemi solari collegati alla rete.

Ecco un elenco di tutte le apparecchiature necessarie per un sistema solare ad isola funzionante:

  • Pannelli solari
  • Regolatore di carica solare
  • Inverter solari
  • Batteria solare
  • Sistema di montaggio e rack
  • Cablaggio
  • Scatole di derivazione.

Sui pannelli solari fotovoltaici abbiamo scritto in articoli dedicati all’argomento, quindi qui non ne parleremo. Qui vogliamo invece concentrarci sul regolatore di carica e sull’inverter, nonché sulle batterie, che vanno tutti scelti con cura.

Regolatore di carica

Il regolatore di carica è il dispositivo che gestisce il flusso di energia dai pannelli solari alla batteria. I controller di carica assicurano che le batterie siano caricate correttamente e non siano sovraccaricate, il che è importante per la longevità del banco batterie. Esistono due tipi principali di regolatori di carica, MPPT (Maximum Power Point Tracking) e PWM (Pulse Width Modulation).

I regolatori di carica PWM utilizzano la modulazione a impulsi per attivare e disattivare la velocità con cui l’energia dai pannelli solari viene inviata alle batterie. Quando si utilizzano regolatori di carica PWM è essenziale che la tensione nominale dei pannelli corrisponda alla tensione nominale delle batterie. Ad esempio, se il sistema utilizza pannelli a 12 volt, il banco di batterie deve essere a 12 volt. Non c’è molto controllo sulla gestione della potenza proveniente dai pannelli utilizzando un PWM, essenzialmente scarica l’energia nelle batterie. I PWM offrono un input limitato rispetto a un controller MPPT.

I regolatori di carica MPPT sono diversi nel fatto che la tensione di ingresso dai pannelli solari deve essere del 30% superiore alla tensione della batteria (fino al limite del regolatore di carica), quindi non importa tanto quale tensione ha il pannello solare che viene utilizzato con il sistema. I regolatori di carica MPPT sono più efficienti grazie alla loro capacità di tracciare il punto massimo di potenza proveniente dai pannelli solari e consegnarlo alle batterie. Richiede una tensione più alta / un ingresso di corrente inferiore e lo converte in una tensione più bassa / un’uscita di corrente più alta per la stessa quantità di potenza.

Dato questo fatto, gli MPPT controllano molto accuratamente la quantità di potenza inviata alle batterie, il che è importante quando le batterie si riempiono e cercano di soddisfare i carichi del sistema. Il principale punto di forza dell’utilizzo di un controller MPPT è la loro capacità di catturare la maggior parte della potenza dall’array solare in un dato momento, contrariamente all’ingresso limitato di un controller PWM.

È possibile che un regolatore di carica PWM fornisca la stessa potenza di un MPPT, ma non fornirà mai più potenza di un MPPT. Per questi motivi, gli MPPT sono solitamente la norma quando si sceglie un regolatore di carica per la progettazione di un sistema solare.

Inverter

Il prossimo componente in un progetto di sistema solare off-grid è  un inverter. In quasi tutti i sistemi solari ad isola, l’inverter è un inverter a batteria. Lo scopo dell’inverter è quello di prendere l’alimentazione CC che è immagazzinata nel banco di batterie e convertirla in alimentazione AC utilizzabile e inviarla ai carichi in modo che possa essere utilizzata allo stesso modo di una presa AC in una casa.

Gli inverter sono disponibili in diverse dimensioni che possono ospitare carichi più piccoli o più grandi a seconda dei carichi fuori rete richiesti. Un’altra considerazione è assicurarsi che l’inverter possa gestire tutti i carichi che funzionano contemporaneamente nel sistema. Quando tutti i carichi di sistema presenti nel sistema di rete ad isola vengono sommati, ciò determinerà la quantità massima che l’inverter deve essere in grado di gestire.

Un altro fatto importante è che l’inverter deve corrispondere “dal punto di vista della tensione” al sistema in cui viene utilizzato. Ad esempio, un inverter da 12 volt non può essere utilizzato con un banco di batterie da 24 volt, ma deve essere utilizzato con un banco di batterie da 12 volt. A differenza dei regolatori di carica, la tensione su un inverter non può essere modificata poiché è fissa e deve essere abbinata alla tensione della batteria del sistema.

Date queste informazioni, è importante scegliere un inverter con saggezza quando si progetta un sistema, soprattutto se si prevede di espandere il sistema. La scelta di un inverter è una decisione importante da prendere correttamente all’inizio a causa del costo ad essi associato. Nella maggior parte dei sistemi off-grid scegliamo di utilizzare inverter “caricabatterie”. Cosa fa un inverter caricabatterie? In pratica, il funziona come un normale inverter, ma funge anche da caricabatterie. Ciò significa che l’inverter non solo ha un’uscita, ma ha anche un ingresso.

Questo è importante perché consente al sistema di utilizzare una fonte di alimentazione esterna come un generatore a gasolio per alimentare i carichi del sistema e smette di prelevare energia dal banco batterie. Una volta che i carichi del sistema sono soddisfatti, la potenza in eccesso che viene immessa nel sistema dalla fonte di alimentazione esterna viene quindi utilizzata per caricare il banco di batterie.  Ciò consente la ridondanza nel sistema che è necessaria se ci sono diversi giorni nuvolosi e l’array solare non è in grado di fornire energia sufficiente per caricare il banco batterie.

Banco batterie

L’ultimo componente principale del sistema solare è il banco batterie, che è una delle considerazioni più importanti e la più costosa. Nel settore dell’energia solare, ci sono due principali prodotti chimici per le batterie: piombo acido e litio. Con il piombo acido ci sono diverse opzioni di batteria, il che significa che ci sono molti modi per costruire il pacco batterie. I due tipi principali di batterie al piombo utilizzate nel solare sono le batterie al piombo allagate e le batterie AGM sigillate.

Il litio ferro fosfato (LiFePO4) è la composizione chimica delle batterie al litio. Le batterie al litio sono significativamente diverse dalle batterie allagate e AGM in molti modi diversi, non solo per dimensioni / peso, ma anche per come possono essere caricate e scaricate. Il litio ferro fosfato è un prodotto chimico estremamente sicuro, il che significa che non emette gas e può essere conservato senza bisogno di ventilazione. Le batterie al litio sono completamente esenti da manutenzione e non devono essere caricate completamente a differenza delle batterie al piombo. La chimica LiFePO4 è inoltre progettata specificamente per una quantità significativa di cicli di carica.

Queste caratteristiche rendono le batterie al litio estremamente vantaggiose per le applicazioni solari off-grid. Un altro vantaggio è che le batterie al litio hanno un BMS (sistema di gestione della batteria) integrato. Il BMS monitora costantemente lo stato di funzionamento della batteria. Ciò significa che se la batteria si sta scaricando eccessivamente o se la batteria è troppo calda o troppo fredda, il BMS forza lo spegnimento della batteria fino a quando le violazioni dei parametri non sono state risolte. Pensa al BMS come a un livello di protezione per le batterie, che rende difficile danneggiarle.

Un altro vantaggio del litio è che puoi impilare o espandere un banco di batterie esistente senza influire sulla durata del banco esistente. L’aggiunta di batterie a un banco di batterie al piombo esistente comporterà infine il guasto dell’intero banco di batterie. Le batterie al litio possono anche essere acquistate nelle varianti 12V, 24V e 48V in modo da poterle impilare facilmente a una tensione di sistema nominale. Questo è importante perché se una batteria viene forzata in modalità di spegnimento dal BMS, l’intero pacco batterie non si spegne. Potrebbe essere necessario ridurre i carichi per accogliere la batteria inutilizzabile, ma le batterie rimanenti saranno ancora disponibili.

Sotto tutti gli aspetti, le batterie al litio sono significativamente superiori alle batterie al piombo. La profondità di scarica, il numero di cicli di carica, la chimica sicura e un BMS integrato infliggono un duro colpo alle batterie al piombo a lungo termine. Per non parlare delle batterie al litio, inoltre, si caricano più velocemente e forniscono una notevole quantità di energia continuamente senza danneggiare la batteria. Inoltre, tutti i produttori affidabili offrono garanzie sulle batterie al litio per circa 10 anni, che è sostanzialmente più delle garanzie fornite sulle batterie al piombo. Un altro vantaggio è che lo spazio necessario per un banco di batterie al litio è molto inferiore.

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