Inverter fotovoltaici

Inverter fotovoltaico

L'inverter è un dispositivo elettronico avente la funzione di convertire la corrente continua in alternata.

L'inverter è un sotto-sistema dell'impianto fotovoltaico che necessita di numerosi componenti aggiuntivi per poter operare in maniera efficiente e sicura: (1) cavi speciali di grande sezione, per il collegamento con la batteria, che si rendono indispensabili a causa dell'elevata corrente circolante, per ovviare il rischio di incendi e sfruttamento parziale delle potenzialità dell'apparecchio; (2) protezione contro le sovracorrenti continue in ingresso, grazie a fusibili o ad altri dispositivi in grado di interrompere il circuito;  (3) uno shunt, cioè una resistenza posta sul polo negativo del circuito a corrente continua che va alle batterie, che permette di misurare la corrente che fluisce tra le batterie e l'inverter; (4) protezione contro le sovracorrenti alternate in uscita, poiché se l'interruttore generale dei carichi in alternata è vicino all'inverter esso fungerà anche da protezione contro tali sovracorrenti, altrimenti occorrerà installare un interruttore apposito.

Nel caso degli impianti fotovoltaici esso deve convertire la corrente continua prodotta dai moduli fotovoltaici in corrente alternata da immettere nella rete elettrica. Negli impianti fotovoltaici gli inverter sono caratterizzati da particolari software ed hardware dedicati esclusivamente all’estrazione della massima potenza dai pannelli in qualsiasi condizione meteorologica. In tempo reale riescono a inseguire il punto di potenza massima del pannello (MPPT: Maximum Power Point Tracker) ossia un punto di lavoro nelle curve caratteristiche di tensione vs corrente del modulo fotovoltaico dove è possibile avere il massimo rendimento del modulo stesso. Tale punto non è fisso ma variabile in funzione del livello di radiazione solare che investe le celle fotovoltaiche, pertanto un buon inverter deve seguire l’MPPT in modo da estrarre sempre la massima potenza. Un fattore essenziale è la velocità con cui l’inverter segue l’MPPT, l’immediatezza con cui insegue le variazione del punto in funzione delle variazioni della radiazione. Mentre quasi tutti i produttori di inverter riescono ad ottenere una precisione del 99.0 – 99.6% (della massima disponibile) sull'individuazione del MPPT, solo in pochi riescono ad unire precisione a velocità.

Esistono inverter fotovoltaici dotati di stadi di potenza modulari, ed alcuni sono dotati di un MPPT per ogni stadio di potenza. In tal modo si lascia all'ingegneria di sistema la libertà di configurare un funzionamento master/slave oppure a MPPT indipendenti. L'utilizzo di MPPT indipendenti fornisce un vantaggio oggettivo in condizioni di irraggiamento non uniforme dei pannelli. Infatti spesso la superficie dei pannelli solari risulta esposta al sole in modo difforme su tutto il campo fotovoltaico. In questo caso l'utilizzo di un solo MPPT porterebbe l'inverter a lavorare fuori dal punto di massima potenza con riduzione della produzione totale di energia elettrica.

Inverter fotovoltaici

Scelta dell'inverter

Non esiste un inverter adatto a tutti gli usi. Il fattore potenza è senza dubbio il fattore principale per la scelta, ma occorre generalmente scegliere un inverter di potenza adeguata a quella dell'impianto. In pratica, soprattutto negli impianti ad isola, si usa scegliere una potenza di almeno un 30% più alta dei carichi previsti se si usa un inverter a onda sinusoidale modificata, perché apparecchi elettrici quali motori e pompe non riescono a sfruttare al meglio questa forma d'onda, e utilizzano almeno un 20% di potenza in più (sicuramente in fase di avvio). La potenza di picco e l'efficienza sono altri due criteri di selezione dell’inverter.

Il costo dell’inverter non è del tutto trascurabile nel costo generale dell’impianto fotovoltaico quindi sebbene sia logico non indirizzarsi verso il top di gamma (elevato costo ma comunque soggetto a manutenzione/sostituzione dopo circa 10 anni) è sempre consigliabile scegliere un inverter di alta efficienza ed affidabilità.

Sempre più spesso però si verifica che marchi blasonati vanno bene con certi pannelli fotovoltaici ma non con altri, con cui meglio si adattano altre tipologie. E’ solo l’esperienza e la conoscenza tecnica che permette di scegliere il miglior inverter per un certo impianto fotovoltaico.

Da non trascurare è  la variabile “oscillazione della ddp della rete”. Le variazione della differenza di potenziale della rete elettrica di zona può bloccare infatti l’inverter che vede aumenti o diminuzioni di ddp come mancanze di corrente elettrica. Questo fa si che il nostro impianto fotovoltaico venga staccato erroneamente dalla rete.

La scelta dell'inverter dipende anche dal numero di pannelli fotovoltaici e di stringhe. Infatti ogni inverter possiede una "finestra di accettazione" delle ddp e delle correnti provenienti dalle stringhe di pannelli costituenti l'impianto fotovoltaico. Il rendimento dell'inverter invece è un parametro che può dipendere anche dalle condizioni climatiche locali in particolare l'insolazione media.

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Curve di rendimento

Le curve di efficienza degli inverter sono diagrammi che esprimono la capacità degli inverter di tradurre la potenza elettrica proveniente dalle stringhe dell’impianto fotovoltaico in potenza elettrica in uscita dallo stesso in funzione dell'irradianza e/o della differenza di potenziale all'MPPT espresso in percentuale rispetto alla massima ddp n continua accettabile.

Comunemente nei datasheet degli inverters viene riportata l’efficienza in funzione della Potenza o della percentuale di carico, ottenendo curve differenti al variare della tensione continua all’mppt. Le curve di efficienza tipiche esibiscono un andamento crescente all’aumentare della potenza all’mppt e una regione dove tali curve risultano piatte e massime.

curve caratterisitche di rendimento degli inverter

Argomento meno battuto con i clienti dagli approssimati e improvvisati (o più semplicemente non conoscitori delle materie  quali l'elettronica, la fisica, le carateristiche ambientali, l'irradianza solare) venditori / procacciatori / agenti che tentano di vendere impianti fotovoltaici e inverter è quello per cui gli inverters, rarissime volte lavorano nelle zone di "rendimento di picco" (R).

Questo significa che almeno andrebbe conosciuto il concetto di Rendimento EuropeoReu.

Questo viene definito "matematicamente" un pò rozzamente come:

Reu = 0.03xR5% +0.06xR10% +0.13xR20% +0.1xR30% +0.48XR50% +0.20XR100

dove Rx% sta per il valore di rendimento dell'inverter (il valore della curva caratteristica) al x% della insolazione massima (o meglio di differenza di potenziale massima accettata dall'inverter stesso) in ragione del fatto che l’insolazione massima in Europa (già concetto un po vago dato che l'irradianza è molto variabile già al'interno dell'Italia) si ottiene solo per il 20% dei casi mentre nel 48% dei casi l'irradianza (insolazione) raggiunge la metà del massimo e così via.

In realtà anche questo approccio è molto benevolo nei confronti delle condizioni tipiche di insolazione. Infatti da uno studio pubblicato su Photon (rivista specializzata del settore fotovoltaico) e dalla nostra decennale esperienza nella misura della radiazione solare in tutta italia gli istanti di funzionamento a basso carico (3%) sono molto maggiori degli istanti di funzionamento ad alto carico (100%).

Così è sempre meglio confrontare le curve di efficienza nel loro complesso e non solo in relazione ai valori associati ai carichi di picco massimo dove l'inverter si troverà a lavorare in rari casi.

Il miglior approccio possibile per calcolare il rendimento annuale di un inverter sarebbe quello di calcolare l'integrale (operazione matematica) tra il valore dell'irradianza medio giornaliero di un ben determinato luogo (durante un anno) e la curva caratteristica.

Così, come già per i pannelli solari, la qualita dell'inverter è necessariamente dipendente dalla regione in cui viene installato ed anche per questo componente ha senso definire il concetto di qualità climatica riferita in particolare (ed in questo caso) all'irradianza solare. 

Così un inverter può avere un rendmento valido nel nord europa e un rendimento meno valido nel sud. In generale bisognerebbe confrontare il rendimento lungo tutta la curva prediligendo inverters con curve più alte a basse insolazioni.

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Inverter Monofase o Trifase?

Negli impianti fotovoltaici la potenza installata determina se è necessario un impianto con inverter monofase o trifase. La connessione avviene in bassa tensione (BT) monofase per potenze nominali d’impianto inferiori a 6 kW, in BT trifase fino a una potenza di 50 kW, per potenze superiori a 75 kW gli impianti vengono generalmente allacciati in media tensione (MT) attraverso l’interposizione di un trasformatore.

I soggetti responsabili degli impianti di potenza nominale non superiore a 20 kW ed i soggetti responsabili degli impianti, entrati in esercizio in data successiva al 31 dicembre 2007, di potenza nominale superiore a 20 kW e non superiore a 200 kW, possono avvalersi del servizio di Scambio sul Posto stipulando una convenzione con il GSE.

Per tutti gli impianti, il soggetto responsabile può cedere, parzialmente o totalmente, l’energia prodotta attraverso la vendita diretta in borsa o ad un grossista, o ad attraverso il ritiro dedicato garantito dal GSE.

Per poter contabilizzare l’energia prodotta dall’impianto sono installati due contatori (M1 e M2). Generalmente M1 è un contatore bidirezionale che misura l’energia assorbita dalle utenze e l’energia che dall’impianto fotovoltaico fluisce verso la rete, M2 contabilizza la totale energia fotovoltaica prodotta che viene incentivata dal GSE.

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l'MPPT

L’irraggiamento solare su un pannello fotovoltaico ha carattere fortemente variabile, essendo dipendente dalla posizione del sole rispetto al pannello stesso. Per di più puo divenire estremamente variabile, essendo influenzato dalla presenza-assenza del sole quindi da nubi o da ombre. Una cella di un pannello fotovoltaico esibisce, per vari valori dell’irraggiamento solare, e per vari valori della temperatura, una famiglia di curve caratteristiche del tipo in figura qui sotto. In particolare nella figura si vedono tre curve, in grassetto corrispondenti a tre valori (1000, 800, 600 W/m2) della potenza radiante del sole.

curve caratteristiche delle celle

Su ogni curva caratteristica esiste uno ed un solo punto tale per cui è massimizzato il trasferimento di potenza verso un ipotetico carico alimentato dal modulo fotovoltaico. Il punto di massima potenza corrisponde alla coppia tensione-corrente tale per cui è massimo il prodotto V*I, dove V è il valore della tensione ai morsetti del modulo e I è la corrente che circola nel circuito ottenuto chiudendo il modulo su un ipotetico carico (ricordiamo che V x I esprime la potenza).

Sempre con riferimento alla figura precedente, il prodotto V*I è rappresentato per i tre valori dell’irraggiamento solare di cui sopra, tramite le tre curve a tratto più sottile.
Come si vede, in accordo con quanto detto prima, tali curve esibiscono un massimo.
Ad es. per 1000W/m2, il punto di massima potenza corrisponde ad un valore di tensione pari a circa 36V e corrente di circa 5,5A.

Chiaramente, se si riesce a massimizzare la potenza erogata dall'impianto, si riesce a sfruttarlo al meglio, sia che questo sia connesso alla rete, sia stand-alone. 

L’ MPPT è un dispositivo integrato negli inverter che, tipicamente, ad ogni istante legge i valori di tensione e corrente, ne calcola il prodotto (cioè la potenza in Watt) e, provocando piccole variazioni nei parametri di conversione (duty cycle), è in grado di stabilire per confronto se il modulo fotovoltaico sta lavorando in condizioni di massima potenza oppure no. A seconda del “responso” agisce ancora sul circuito per portare l’impianto in tale condizione ottimale.
Il motivo per cui gli MPPT sono utilizzati è semplice: un impianto fotovoltaico senza MPPT può funzionare comunque, ma a parità di irraggiamento solare fornisce meno energia.

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