LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011

Facoltà di Architettura

Radiazione Solare → l’energia elettromagnetica emessa dai processi di fusione dell’idrogeno contenuto nel sole.

Densità di Potenza → radiazione solare per unità di tempo e di superficie.

• Fuori l’atmosfera terrestre la potenza incidente su di una superficie unitaria, perpendicolare ai raggi solari, assume un valore di circa LABORATORIO DI COSTRUZIONI

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

unitaria, perpendicolare ai raggi solari, assume un valore di circa 1360W/m² (variabilità del ±3% dovuta all’ellitticità dell’orbita terrestre), questo valore prende il nome di Costante Solare

• Sulla superficie terrestre, a livello del mare, in condizioni meteorologiche ottimali e sole a mezzogiorno, la densità di potenza è di circa 1000W/m²

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011

Facoltà di Architettura

La radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre si distingue in:(1)diretta(2)diffusa(3)riflessa

Le proporzioni di radiazione (1), (2) e (3) ricevuta da una superficie dipendono da:(a)condizioni meteorologiche

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

(a)condizioni meteorologiche(b)inclinazione della superficie(c) presenza di superfici riflettenti

Confronto fra la radiazione solare giornaliera media incidente su superfici condifferenti angoli di inclinazione β ed orientate a Sud (azimut γ=0).Località con latitudine φ=40° Nord e cielo sereno

ββββ ==== 30°20

[MJ/m2/giorno]

Gen Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic

Verticale

ββββ ==== 60°

Orizzontale

ββββ ==== 30°

0

5

10

15

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011

Facoltà di Architettura

Angoli di inclinaz. β e di orientamento γ di una superficie

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

Sud

ββββ

γγγγ

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011

Facoltà di Architettura

Impianti fotovoltaici

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

Un impianto fotovoltaico trasforma direttamente l’energia solare in energia elettrica.Esso è composto essenzialmente da:• moduli o pannelli fotovoltaici;• inverter, che trasforma la corrente continua generata dai moduli in correntealternata ;• Batterie, quadri elettrici e cavi di collegamento.

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011Gli impianti fotovoltaici possono essere:- connessi alla rete elettrica di distribuzione (grid-connected) o- direttamente a utenze isolate (stand-alone), tipicamente per assicurare la disponibilità dienergia elettrica in zone isolate.

Gli impianti fotovoltaici, così come gli impianti solari termici utilizzano il sole come fonteenergetica, catturandone la radiazione attraverso superfici captanti.

Facoltà di Architettura

LABORATORIO DI COSTRUZIONIMentre i pannelli solari termici utilizzano l’energia termica del sole per riscaldare l’acqua da utilizzare per uso igienico sanitario o per il riscaldamento degli ambienti i modulifotovoltaici trasformano direttamente la radiazione solare in energia elettrica.

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011I vantaggi degli impianti fotovoltaici possono riassumersi in:

• assenza di qualsiasi tipo di emissione inquinante in fase d’uso;• risparmio di combustibili fossili;• affidabilità degli impianti poiché non esistono parti in movimento;• costi di esercizio e manutenzione ridotti al minimo;• modularità del sistema (per aumentare la potenza dell’impianto è sufficiente aumentare ilnumero dei moduli).

Facoltà di Architettura

LABORATORIO DI COSTRUZIONInumero dei moduli).

E’ da tener presente che l’impianto fotovoltaico è caratterizzato da un elevato costo iniziale(dovuto essenzialmente all’elevato costo dei moduli) e da una produzione discontinua a causadella variabilità della fonte energetica (il sole).

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011La produzione elettrica annua di un impianto fotovoltaico dipende da diversi fattori:• radiazione solare incidente sul sito d’installazione;• orientamento ed inclinazione della superficie dei moduli;• assenza/presenza di ombreggiamenti;• prestazioni tecniche dei componenti dell’impianto (moduli, inverter ed altreapparecchiature).

Potenza nominale (o di picco): la potenza elettrica dell'impianto determinata dalla sommadelle singole potenze nominali (o massime, o di picco, o di targa) di ciascun modulo

Facoltà di Architettura

LABORATORIO DI COSTRUZIONIdelle singole potenze nominali (o massime, o di picco, o di targa) di ciascun modulofotovoltaico facente parte del medesimo impianto, misurate alle condizioni standard(temperatura pari a 25 °C e radiazione pari a 1.000 W/m²).Prendendo come riferimento un impianto da 1 kW di potenza nominale, con orientamentoed inclinazione ottimali ed assenza di ombreggiamento, non dotato di dispositivo di“inseguimento” del sole, in Italia è possibile stimare le seguenti producibilità annuemassime:• regioni settentrionali 1.000 – 1.100 kWh/anno;• regioni centrali 1.200 – 1.300 kWh/anno;• regioni meridionali 1.400 – 1.500 kWh/anno.

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011Il sistema di produzione di elettricità che comunemente chiamiamo pannello fotovoltaico, è costituito da quattro elementi fondamentali:- il pannello o modulo PV- l’inverter- la batteria- il contatore

Pannelli

Facoltà di Architettura

LABORATORIO DI COSTRUZIONIPannelli

I pannelli fotovoltaici sono costituiti da celle in grado di produrre elettricità se colpite dalla lucesolare.Le celle sono in genere costituite da strati di un elemento semiconduttore, in genere il silicio.Grazie all’effetto fotovoltaico, i fotoni colpiscono la superficie del silicio, liberano gli elettroni di conduzione che generano un flusso corrente elettrica continua.

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011

Facoltà di Architettura

Per la costruzione di queste celle si utilizza il silicio.Questo elemento molto diffuso in natura, viene fuso e colatoin una cilindro di cristallo.Una volta freddo, il tubo di silicio viene tagliato in fettinemolto sottili e dopato con alcune sostanze come ilfosforo.

Celle fotovoltaiche

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

fosforo.Questa è una fase molto importante in quanto il silicio puro,è un pessimo conduttore di corrente in quanto nonpresenta elettroni di conduzione. Lo strato più esterno del suo atomo presenta soloelettroni di valenza e non è in grado di trasportare energia.Drogando il silicio e rendendolo impuro si forniscono gli elettroni di conduzione necessariper la trasmissione dell’energia.Alcuni elementi presenti in natura, come il fosforo, sono degli ottimi conduttori di correntein quanto i loro atomi, sullo strato esterno, hanno degli elettroni liberi, detti diconduzione, in grado di trasportare la corrente elettrica.

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011

Il campo del visibile

I wafer di silicio vengono poi allineati in una matrice sottile a forma di griglia sulla partesuperiore del pannello solare.Per proteggere il silicio viene stesa una sottilissima lastra di vetro sopra le celle fotovoltaiche. Il pannello viene poi attaccato ad un substrato di cemento in grado di condurre il calore ed evitare che il pannello si surriscaldi. L’energia in eccesso che il pannello non è in grado di convertire in elettricità potrebbe fardiventare l’unità eccessivamente calda riducendo l’efficienza delle celle solari.

Facoltà di Architettura

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011Capacità di una cella solare

La quantità di energia elettrica prodotta da una cella dipende direttamente da:- Efficienza della cella stessa- Superficie della cella- Radiazione solare che colpisce la superficie della cella

Le celle solari vengono prodotte utilizzando vari tipi di silicio (amorfo, monocristallino, multi cristallino) , da cui dipende il rendimento del pannello.

Facoltà di Architettura

LABORATORIO DI COSTRUZIONIcristallino) , da cui dipende il rendimento del pannello.

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

Pannello

fotovoltaico al silicio

amorfo

Pannello

fotovoltaico al silicio

monocristallino

Pannello

fotovoltaico al silicio

multicristallino

6-10% 13-17% 12-14%

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011

Facoltà di Architettura

Le celle sono costituite da uno strato di silicio ridotto in una lamina molto sottile dopato confosforo (strato detto tecnicamente N-type) che è a stretto contatto con un altro strato di siliciodopato con il boro (detto P-type) che funge da base.Quando la radiazione solare colpisce la lamina di silicio, nella zona di contatto fra questi duestrati (detta Giunzione PN) si crea un campo elettrico che produce corrente. In genere una cellaè in grado di produrre circa 0,5 – 0,6 volt di corrente continua (CC).

Condizioni Standard:LABORATORIO DI COSTRUZIONI

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

Condizioni Standard:Temperatura di funzionamento = 25°CLivello di irraggiamento solare incidente = 1000 W/m2

In natura, queste condizioni sono difficili da ottenere e il pannello non sarà mai in grado diprodurre la quantità di energia indicata corrispondente alla potenza di picco.Il rendimento effettivo del pannello sarà pari all’85-90% di quanto indicato dalla casaproduttrice.La maggior parte dell’Italia ha un livello di irraggiamento solare maggiore a 1000 W per metroquadrato. Tuttavia, l’efficienza del pannello è condizionata anche dal calore.Un surriscaldamento del modulo porta alla degradazione del silicio e una conseguente riduzione dell’efficienza.

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011

Facoltà di Architettura

Tipi di pannelli solari fotovoltaici

Sebbene il processo di trasformazione dell’energia solare in energia elettrica sia più o meno lo stesso, esistono diversi tipi di celle solari progettate per questo scopo. A seconda della struttura del cristallo presente all’interno di queste celle (in genere silicio) si può parlare diPannelli fotovoltaici in Silicio Mono CristallinoPannelli fotovoltaici in Silicio PolicristallinoPannelli fotovoltaici in Silicio Amorfo.LABORATORIO DI COSTRUZIONI

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

È possibile fare un’ulteriore classificazione dei pannelli fotovoltaici in base al tipo di alimentazione. In questo caso avremo:- Pannelli fotovoltaici ad alimentazione diretta- Pannelli fotovoltaici ad isola- Pannelli fotovoltaici con immissione in rete

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011

Facoltà di Architettura

Pannelli in silicio amorfo

Sicuramente i pannelli più economici presenti sul mercato ma con unrendimento minore rispetto alle altre due soluzioni.

Il pannello fotovoltaico in silicio amorfo è costituito da una lastra divetro trasparente rivestita, su un lato, da uno strato sottile di silicioamorfo trattato chimicamente con altre sostanze per aumentarne laconducibilità.LABORATORIO DI COSTRUZIONI

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

conducibilità.In questa maniera il pannello avrà un lato trasparente (rivolto verso ilsole) e un lato opaco (costituito dalla lastra di silicio) dove vengonoinnestati dei fili di alluminio per il fissaggio del modulo al tetto.Ai lati della lastra vi sono anche due fili elettrici che trasporterannol’energia prodotta dal pannello alla batteria oppure alla rete elettrica (aseconda della tipologia del pannello).

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011

Facoltà di Architettura

Ogni singolo modulo fotovoltaico (costituito da celle fotovoltaiche) produce corrente elettrica che verrà poi convogliata all’inverter che la convertirà in una tipologia di corrente utilizzabile dalle utenze. In Italia l’inverter convertirà la tensione di corrente continua da 24-40 volt in corrente alternataa 220 volt.

“Costo energetico di produzione” : l’energia impiegata per la realizzazione del pannello stesso.Un pannello con un basso costo energetico sarà in grado di restituire l’energia spesa in pochianni riuscendone a produrne molta di più.LABORATORIO DI COSTRUZIONI

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

anni riuscendone a produrne molta di più.I pannelli fotovoltaici a silicio amorfo hanno un basso costo energetico, restituiscono l’energiain pochi anni e sono in grado di produrne, nell’arco della loro vita, 10-12 volte di più di quellaimpiegata per costruirli.

Il vantaggio maggiore che offre questa tipologia del pannello è la sua capacità di produrreenergia elettrica anche in pessime condizioni di insolazione. È difatti consigliato per quellezone geografiche poco soleggiate o dove il cielo è spesso nuvoloso oppure vi sono ostacoli fisiciche creano grandi coni d’ombra. Rispetto alle altre tipologie di pannelli, nelle giornatenuvolose, il rendimento è l’8-15% in più rispetto agli altri pannelli.

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011

Facoltà di Architettura

Pannello fotovoltaico in

silicio amorfo

Pannello fotovoltaico in

silicio monocristallino

Pannello fotovoltaico in

silicio policristallino

2-3 anni 3-6 anni 3-6 anni

Tempi di ritorno o indici di payback

Anni impiegati per bilanciare l’energia impiegata per la produzione

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

2-3 anni 3-6 anni 3-6 anni

Pannello

fotovoltaico al silicio

amorfo

Pannello

fotovoltaico al silicio

monocristallino

Pannello

fotovoltaico al silicio

multicristallino

10-12 volte 4-8 volte 4-8 volte

Quantità di energia prodotta rispetto all’energia impiegata in fase di produzione

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011

Facoltà di Architettura

Pannello fotovoltaico in

silicio amorfo

Pannello fotovoltaico in

silicio monocristallino

Pannello fotovoltaico in

silicio policristallino

2-3 anni 3-6 anni 3-6 anni

)(anniarisparmiatannuaEnergia

produzioneEnergiaenergiaPayback =

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

2-3 anni 3-6 anni 3-6 anni

Pannello

fotovoltaico al silicio

amorfo

Pannello

fotovoltaico al silicio

monocristallino

Pannello

fotovoltaico al silicio

multicristallino

10-12 volte 4-8 volte 4-8 volte

Quantità di energia prodotta rispetto all’energia impiegata in fase di produzione

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011La scelta del pannello va diretta anche in base al tipo di alimentazione che sosterrà la nostra struttura di produzione elettrica. In questo caso si parlerà:- Pannelli fotovoltaici ad alimentazione diretta- Pannelli fotovoltaici ad isola- Pannelli fotovoltaici con immissione in rete

Facoltà di Architettura

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

Pannelli Fotovoltaici ad alimentazione diretta

Questo tipo di pannelli fotovoltaici producono energia come tutti gli altri sistemi fotovoltaici ma, a differenza degli altri modelli, alimentano direttamente l’apparecchio (o gli apparecchi) ad esso collegati. Non vi è nessun attacco alla rete pubblica e non presentano accumulatori d’energia. Questi pannelli fotovoltaici sono in grado di fornire energia elettrica solo durante le ore di luce e si addicono per le piccole utenze che hanno necessità energetiche solo durante il giorno.

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011Pannelli Fotovoltaici ad Isola

Questi pannelli, detti anche stand alone, non sono collegati alla rete elettrica e sono presentibatterie per immagazzinare l’energia prodotta durante il giorno e non consumata dall’utenza.Le batterie, o accumulatori di energia, durante le ore serali forniscono l’energia elettricanecessaria al fabbisogno dell’utente e si ricaricano durante il giorno, quando il pannello sarànuovamente in grado di produrre energia.Questa tipologia è indicata per quelle zone non raggiunte dal servizio di distribuzione elettrica (baite di montagna, campagna, isole).

Facoltà di Architettura

LABORATORIO DI COSTRUZIONI(baite di montagna, campagna, isole).

Pannelli Fotovoltaici ad immissione in rete (grid-connected)

Regime di interscambio fra il gestore dell’impianto fotovoltaico e il gestore della rete elettricapubblica.Il pannello fotovoltaico, durante il giorno, produce energia elettrica. L’energia prodotta ineccesso durante le ore di radiazione solare viene poi immessa nella rete elettrica e resadisponibile per la comunità.Durante le ore in cui la radiazione è assente, il pannello non è più in grado di produrre energia elettrica, che viene prelevata direttamente dalla rete pubblica.

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011Pannelli Fotovoltaici ad immissione in rete (grid-connected)

Non è necessaria la presenza di batterie o accumulatori perché l’energia prodotta viene immessa nella rete pubblica.

Due contatori

1. Misura del consumo di energia elettrica 2. Misura della produzione di energia elettrica da parte del sistema fotovoltaico.

Facoltà di Architettura

LABORATORIO DI COSTRUZIONI2. Misura della produzione di energia elettrica da parte del sistema fotovoltaico.

Se l’impianto fotovoltaico ha prodotto una quantità di energia maggiore rispetto a quella consumata, il gestore della rete pubblica corrisponderà al gestore dell’impianto l’importo relativo all’energia netta fornita alla rete.Tempi di ritorno dell’impianto dipendono dalla quantità di energia prodotta dal sistema in base:- alle dimensioni del pannello solare e alla sua efficienza-all’inclinazione - ai valori di radiazione solare nella zona.

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011

Facoltà di Architettura

Installazione pannelli fotovoltaici

In fase di impianto non appoggiare il pannello direttamente sul suolo, ma sollevarlo da terra.Così facendo al di sotto di esso circola l’aria ambiente necessaria al raffreddamento delsupporto.

Manutenzione

I pannelli solari o quelli fotovoltaici non hanno bisogno di manutenzione frequente.Interventi di pulizia delle superfici captanti ogni 2 o 3 anni.Controllo dell’inverter e dei quadri elettrici ogni 2-3 anni.LABORATORIO DI COSTRUZIONI

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

Controllo dell’inverter e dei quadri elettrici ogni 2-3 anni.Generalmente la ditta installatrice fornisce anche assistenza e spesso è possibile stipulare una forma di assistenza che, con un piccolo contributo, assicura l’intervento immediato in caso di problemi o guasti agli impianti.

Dimensionamento impianto fotovoltaico

A differenza dei pannelli solari termici le cui dimensioni dipendono direttamente dal numero degli utenti e dalla tipologia di edificio servito, le dimensioni dell’impianto fotovoltaico vanno calcolate in base ai consumi previsti su base annua.Come primo passo è indispensabile calcolare i consumi elettrici annuali.Noti i consumi e scelto il tipo di pannello, è possibile avere un’idea dell’ingombro dell’impianto

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011

Facoltà di Architettura

Come calcolare i consumi elettrici annui in kWh

Sul primo foglio della fattura che il gestore della rete invia bimestralmente, alla voce “Dati Fornitura” vi sarà indicato il “Consumo effettivo per XX giorni”. Ad esempio, se sulla bolletta si legge: “Consumo effettivo per 62 giorni: 374 kWh”,il numero dei kWh deve essere diviso per il numero dei giorni considerati:

374 kWh/62 gg = 6,03 kWh

Si ottiene il numero medio di kWh consumati ogni giorno,o consumo giornaliero.

Diminuzione di densità dell’aria verso il basso

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

Si ottiene il numero medio di kWh consumati ogni giorno,o consumo giornaliero. Moltiplicando il consumo medio giornaliero per il numero di giorni di un anno (365) si ottieneil consumo annuo di energia elettrica:

6,03 kWh x365 = 2200,95 kWh.

Noto il consumo annuale si procederà al dimensionamento dei pannelli fotovoltaici necessario.

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011

Facoltà di Architettura

Potenza nominale Tipi di pannello Dimensione del pannello

1 kWpSilicio Mono o

Policristallino8 m2

1 kWp Silicio Amorfo 20 m2

3 kWpSilicio Mono o

Policristallino24 m2

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

3 kWp Silicio Amorfo 60 m2

I pannelli in mono e policristallino presentano un rendimento maggiore rispetto ai pannelli in silicio amorfo e sono indicati per coperture o giardini di spazio limitato. Se sono disponibili ampie superfici, è sufficiente adottare la tipologia in silicio amorfo, che si adatta più facilmente ad esigenze architettoniche.

Ad esempio, per un impianto da 3 kWp si moltiplica per tre il valore delle dimensioni del pannello attribuito a 1 kWp.

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011Costi degli impianti pannelli solari fotovoltaici

Il costo di un impianto fotovoltaico dipende da fattori come:- Potenza finale- Tipo di impianto- Dimensione dell’impianto- Luogo di installazione dell’impianto.Un impianto solare a silicio amorfo avrà un costo differente rispetto ad un impianto a silicio poli-cristallino.

Facoltà di Architettura

LABORATORIO DI COSTRUZIONIcristallino.

In generale i pannelli fotovoltaici vengono venduti in base alla loro efficienza (ai kWh che sono in grado di produrre in condizioni standard). L’impianto base è quello da 1200 Wp, la cui produzione varia in base alla posizione del pannello, l’inclinazione e la radiazione solare. Con riferimento al territorio italiano un pannello da 1200 Wp produrrà:Nord Italia: 1300 – 1500 kWh/annoSud Italia: 1600 – 2000 kWh/anno

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011A titolo indicativo il costo è di circa 6500 euro (iva, trasporto e installazione inclusi) per 1200 WpIl costo è 9000 euro se l’impianto ha una potenza di 2000 Wp.

Il costo dell’installazione può variare dai 500 ai 1500 euro a secondo dell’accessibilità del luogo e della facilità di installazione dell’impianto.

Al totale delle spese dell’acquisto e installazione dell’impianto si può detrarre e quindi

Facoltà di Architettura

LABORATORIO DI COSTRUZIONIAl totale delle spese dell’acquisto e installazione dell’impianto si può detrarre e quindirecuperare, oltre agli eventuali incentivi messi in atto da eventuali politiche regionali, l’IRPEF del36%.

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011Ammortamento del costo di un impianto fotovoltaico

Vita utile = 30 anni (in realtà potrebbe durare più a lungo)Per poter calcolare quanto costa un impianto solare nell’arco di tutta la sua vita, al costo di acquisto e di installazione vanno aggiunti:- eventuali costi di manutenzione (generalmente molto bassi), - gli aumenti di questi costi in base all’inflazione e il costo del noleggio del contatore (circa 30 euro che verranno accreditate in bolletta). A questi costi bisogna detrarre i vari incentivi di cui gode l’impianto al momento

Facoltà di Architettura

LABORATORIO DI COSTRUZIONIA questi costi bisogna detrarre i vari incentivi di cui gode l’impianto al momento dell’installazione (il principale dei quali è il conto energia) e il risparmio annuo sulla bolletta.

Risparmio

Un impianto da 2 kWp mi permetterà un risparmio di:Nord Italia : 300 – 550 €/annoSud Italia: 350 – 650 €/annoBasandosi su questi calcoli l’ammortamento del costo dell’impianto solare dovrebbe avvenire intorno ai 6-12 anni, a seconda della posizione geografica (radiazione solare) e della reale produttività ed efficienza dell’impianto (che dipende dall’inclinazione e dall’eventuale presenza di ombreggiamenti)

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011Esempio

Il calcolo delle caratteristiche e della produzione dell’impianto è generalmente di competenza della ditta installatrice. Tabella “Dati forniti dall’utenza e sede dell’installazione”.Indica le caratteristiche fondamentali dell’impianto da stabilire per poter calcolare l’energia prodotta e il risparmio ottenuto.Esempio Impianto città di Milano

Facoltà di Architettura

LABORATORIO DI COSTRUZIONIImpianto città di Milano

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

Tipologia utente Privato

Provincia Milano

Consumi medi annui 2200 kWh/anno

Superficie disponibile 50 m2

Tipologia di superficie Tetto a falda

Livello integrazione architettonica Non integrato

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011Impianto su edificio. Calcolo della produzione e del risparmio di energia

Facoltà di Architettura

Potenza dell’impianto 3 KW

Energia annuale prodotta 3387 kWh/anno

Tariffa Conto Energia riconosciuta 0,401 €/kWh

Ricavi da Conto Energia 1358,2 €/anno

Risparmio per l’energia autoconsumata 428 €/annoLABORATORIO DI COSTRUZIONI

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

Risparmio per l’energia autoconsumata 428 €/anno

Totale ricavi annui 1782,8 €

Il costo di questo impianto si aggira intorno ai 20.333 €

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011A Roma, mantenendo le stesse caratteristiche di impianto, cambiano i dati di produzione di energia elettrica e il calcolo del risparmio.

Facoltà di Architettura

Potenza dell’impianto 3 KW

Energia annuale prodotta 4233 kWh/anno

Tariffa Conto Energia riconosciuta 0,401 €/kWh

Ricavi da Conto Energia 1697,4 €/annoLABORATORIO DI COSTRUZIONI

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

Risparmio per l’energia autoconsumata 428 €/anno

Totale ricavi annui 2125,4 €

L’energia prodotta e il risparmio dipendono non solo dal tipo di fotovoltaico scelto, maanche dalla posizione geografica dell’ubicazione.I guadagni maggiori si hanno per latitudini minori.

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011Progettazione di un impianto fotovoltaico

Criteri da seguire:

- variabilità della fonte principale (energia solare) nel tempo- i moduli fotovoltaici svolgono funzione primaria di “generazione”, anche quella di“componenti edilizi architettonici”, per cui sono tenuti a soddisfare un duplice ordinedi esigenze, di tipo energetico e di tipo architettonico.

Facoltà di Architettura

LABORATORIO DI COSTRUZIONIdi esigenze, di tipo energetico e di tipo architettonico.- gli impianti fotovoltaici hanno anche la funzione integrativa rispetto ad altri sistemi diapprovvigionamento energetico, cosicché la definizione delle loro specifiche funzionalie prestazionali dipende dall’interazione di differenti fattori economici e tecnici.

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011Fasi

Le differenti fasi su cui devono essere articolate le operazioni di pianificazione per larealizzazione di un impianto fotovoltaico sono:

• calcolo del fabbisogno dell’utenza da servire;• determinazione della risorsa solare annua;• dimensionamento e verifica del generatore;

Facoltà di Architettura

LABORATORIO DI COSTRUZIONI• dimensionamento e verifica del generatore;• dimensionamento dei sistemi di accumulo;• dimensionamento degli inverter;• progetto degli altri elementi costituenti l’impianto e delle interazioni con altri impianti.

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011Stima del fabbisogno dell’utenza

L’impianto fotovoltaico va sempre dimensionato in funzione della tipologia di utenza e deisuoi consumi.A tal fine, diviene necessario determinare con precisione la natura e consistenza deifabbisogni da soddisfare con l’impianto fotovoltaico, oltre alla loro distribuzionegiornaliera ed anche annua.Infatti, risulta particolarmente utile capire se può essere sfruttato un certo parallelismo tranecessità di consumo e disponibilità di radiazione solare; in caso affermativo l’efficienza delsistema migliora notevolmente, limitando le perdite di stoccaggio e di distribuzione.

Facoltà di Architettura

LABORATORIO DI COSTRUZIONIsistema migliora notevolmente, limitando le perdite di stoccaggio e di distribuzione.

Sinteticamente, il consumo dell’utenza può essere espresso nella seguente forma:

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

Pi e τi rispettivamente la potenza elettrica espressa in W e il tempo di funzionamento annuo dell’i-esimo apparecchio.

Generalmente i dati che interessano nella progettazione dell’impianto fotovoltaico riguardano il carico complessivo nei giorni medi mensili (kWh/giorno) e su base annua (kWh/anno)

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011Stima dell’energia producibile

L’energia annua producibile Epv dell’impianto fotovoltaico viene fornita dalla seguenteespressione analitica:

Epv =ηpv ⋅ A pv ⋅ H

essendo:• ηpv l’efficienza complessiva di conversione dell’impianto fotovoltaico;• Apv l’area occupata dall’insieme dei moduli che compongono il generatore, espressa in m

2;• H l’irradiazione solare annua incidente sulla superficie dei moduli, espressa in kWh/m2.

Facoltà di Architettura

LABORATORIO DI COSTRUZIONI• H l’irradiazione solare annua incidente sulla superficie dei moduli, espressa in kWh/m .

La medesima relazione può essere scritta per un periodo temporale diverso dall’anno, adesempio per il singolo giorno, esprimendo Epv in kWh/g e H in kWh/(m

2 x g).

A tale scopo è necessario ricorrere a dati climatici relativi alla località in cui è situato l’impianto.

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011

Facoltà di Architettura

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011Stima dell’energia producibile

La quantità dell’energia prodotta varia con gli angoli di inclinazione e di orientamento delle superfici captanti dei singoli moduli, oltre che da eventuali fenomeni di ombreggiamento.

Si noti che l’efficienza complessiva di conversione dell’impianto fotovoltaico ηpv dipende:- dall’efficienza della componentistica non fotovoltaica del sistema (cablaggi,inverter, ecc), - dai fenomeni di surriscaldamento dei pannelli, - dalla riflessione parziale della radiazione incidente,

Facoltà di Architettura

LABORATORIO DI COSTRUZIONI- dalla riflessione parziale della radiazione incidente, - dalla formazione di depositi di polveri sui pannelli - dall’efficienza del singolo modulo ηmod.

Allo stato attuale, con le tecnologie dei moduli al silicio cristallino, si può supporre chel’efficienza complessiva di conversione dell’impianto fotovoltaico ηpv vari tra 0.09 e 0.11;per cui:

Epv = 0,10 ⋅ Apv ⋅ H

Ciò significa che, con un livello di stima accettabile, si può considerare che l’energia elettrica prodotta dal sistema sia pari al 10% della radiazione solare intercettata dai moduli.

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011Dimensionamento di un impianto fotovoltaico “stand alone”

Nel caso di impianti fotovoltaici isolati stand alone, il dimensionamento è vieneeffettuata analizzando il profilo del carico e le caratteristiche di radiazione solare delsito in cui andranno collocati i pannelli.

Facoltà di Architettura

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011Dimensionamento di un impianto fotovoltaico “stand alone”

Per tale tipologia di impianto conviene eseguire il dimensionamento in relazione a situazionisfavorevoli di irraggiamento (ad esempio prevedendo un certo numero di giorni di nuvolosità).Il generatore viene dimensionato in modo che l’energia prodotta giornalmente e quellaconsumata al più si equivalgano.Il sistema di accumulo viene progettato in modo tale da garantire la fornitura di energia per uncerto numero di giorni, nell’ipotesi sfavorevole che i moduli per tale intervallo temporale non

Facoltà di Architettura

LABORATORIO DI COSTRUZIONIcerto numero di giorni, nell’ipotesi sfavorevole che i moduli per tale intervallo temporale nonriescano a produrre l’energia necessaria a compensare il consumo:

Epv ≥ Ec

essendo:• Epv l’energia giornaliera media mensile prodotta dal generatore, espressa in kWh/giorno;• Ec l’energia corrispondente richiesta dal carico, anch’essa espressa in kWh/giorno;

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011Dimensionamento di un impianto fotovoltaico “stand alone”

L’energia richiesta dal carico può esprimersi in funzione dell’energia elettrica realmenteconsumata dall’utenza Eu giornalmente e dei rendimenti dell’impianto di accumulo:

essendo:• ηb il rendimento di carica e scarica della batteria (circa 0.90);

Facoltà di Architettura

LABORATORIO DI COSTRUZIONI• ηb il rendimento di carica e scarica della batteria (circa 0.90);• ηc il rendimento dei circuiti (circa 0.90);• ηrc il rendimento del regolatore di carica (circa 0.85).Per cui risulta approssimativamente:

Ec = 1.45 ⋅ Eu

Il fabbisogno di energia elettrica da prevedere deve essere maggiorato di circa il

45% rispetto al consumo da parte dell’utenza.

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011Dimensionamento di un impianto fotovoltaico “stand alone”

Considerando la radiazione solare giornaliera media mensile incidente sul piano deimoduli fotovoltaici nel mese caratterizzato dalla minor disponibilità di soleggiamento(Hmin), ed uguagliando l’energia prodotta con quella richiesta, si ottiene che:

0.10 ⋅ Apv ⋅ Hmin = 1.45 ⋅ Eu

da cui è facile ottenere l’area dei pannelli fotovoltaici minima:

Facoltà di Architettura

LABORATORIO DI COSTRUZIONI⋅ ⋅ ⋅

da cui è facile ottenere l’area dei pannelli fotovoltaici minima:

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011Dimensionamento di un impianto fotovoltaico ad utilizzo diretto

Nel caso di impianti ad utilizzo diretto con il generatore fotovoltaico che alimentadirettamente il carico, il dimensionamento dell’impianto avviene o in funzione dellapotenza che è possibile installare o in funzione dell’energia che si desidera ottenere,accettando la dipendenza dalle condizioni climatiche del sito oggetto dell’installazione

Facoltà di Architettura

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011Valgono le stesse formule esposte per la tipologia di impianto stand alone, ma in questo caso non essendoci parti di accumulo ma solo circuiti (ηc = 0.90) risulta:

Ec = 1/0.9 Eu = 1.10 ⋅ Eu

Uguagliando l’energia prodotta con quella richiesta, si ottiene che:0.10 ⋅ Apv ⋅ Hmin = 1.10 ⋅ Eu

da cui è facile ottenere l’area dei pannelli fotovoltaici minima:

Facoltà di Architettura

LABORATORIO DI COSTRUZIONIda cui è facile ottenere l’area dei pannelli fotovoltaici minima:

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011Dimensionamento di un impianto fotovoltaico connesso alla rete

Nel caso di connessione alla rete del Gestore, l’impianto fotovoltaico non rappresenta piùl’unica fonte di approvvigionamento di energia per l’utenza, bensì un sistema integrativoed una fonte di risparmio

Facoltà di Architettura

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011Dimensionamento di un impianto fotovoltaico connesso alla rete

La “taglia” dell’impianto può essere definita liberamente sulla base di considerazionieconomiche, energetiche ed ambientali, nonché in funzione delle tariffe incentivanti e contoenergia.Vantaggi:L’energia prodotta può essere utilizzata direttamente in loco oppure, se in eccesso rispetto albisogno del momento, immessa in rete. Quando il sistema fotovoltaico non supplisceinteramente alle necessità o è inattivo (ore notturne), l’utenza preleva normalmente elettricità

Facoltà di Architettura

LABORATORIO DI COSTRUZIONIinteramente alle necessità o è inattivo (ore notturne), l’utenza preleva normalmente elettricitàdalla rete.

In questo caso il carico elettrico dell’utenza non è un parametro vincolante per ildimensionamento del sistema perché il generatore PV collegato in rete ha solo il compito diconvertire l’energia solare in elettrica con la migliore efficienza possibile.

Inoltre disponendo della rete elettrica che assicura comunque la continuità del servizio elettrico,non vi è la necessità di riporre di un accumulo di energia con notevoli risparmi sui costi diinvestimento (le batterie incidono per il 25-35 % del costo totale)

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011Dimensionamento di un impianto fotovoltaico connesso alla rete

Se la priorità del progetto è rappresentata dalla quantità di energia che si vuolegenerare, l’incognita del problema è rappresentata dalla superficie necessaria perprodurla:

Facoltà di Architettura

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

Se, al contrario, prevalgono considerazioni economiche, si determina la tagliadell’impianto valutando dai costi unitari (€/kW) la potenza nominale che può essereprodotta con l’investimento economico prefissato.

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011Il dimensionamento di un impianto PV collegato in rete sarà essenzialmente mirato a stabilire la taglia del generatore e , conseguentemente, del convertitore statico per il parallelo alla rete sulla base dei seguenti parametri: budget per l’investimento Binv (€);

costo al Wp di un sistema PV collegato alla rete CWp (€/Wp);

densità di potenza dei moduli di installare Dmod (Wp/m2);

superficie di installazione disponibile Adisp (m2);

Facoltà di Architettura

LABORATORIO DI COSTRUZIONIFasi del progetto:

1. CALCOLO DELLA POTENZA MASSIMA INSTALLABILE (Wp)

Pmax = Binv/ CWp

CALCOLO DELLA MASSIMA AREA NECESSARIA PER L’INSTALLAZIONE (m2)

Amax = Pmax / Dmod

CONFRONTO Amax CON LA SUPERFICIE DISPONIBILE Adisp:

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011

Facoltà di Architettura

CASI

POTENZA

SISTEMA

COSTO

SISTEMALABORATORIO DI COSTRUZIONI

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

CASI SISTEMA

(Wp)

SISTEMA

(€)

Amax ≤ Adisp PFV = Pmax CFV = Binv

Amax > Adisp PFV = Adisp Dmod CFV = PFV CWp

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011

Facoltà di Architettura

CALCOLO DELL’ENERGIA PRODUCIBILE Epv:

Epv = ηg Ag nm H K

dove:Eg – energia totale producibile nell’anno (Wh/anno);

ηg – rendimento complessivo del sistema;

Ag – superficie captante (m2);

nm – numero di giorni anno;LABORATORIO DI COSTRUZIONI

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

nm – numero di giorni anno;

H –radiazione solare media giornaliera sul piano dei moduli (Wh/m2g)

K – coefficiente di riduzione per eventuali ombreggiamenti.

Valori di ηg per sistemi collegati in rete

Silicio monocristallino 10%

Silicio policristallino 8.5%

Silicio amorfo 5%

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011Dati sulla radiazione solare a Reggio Calabria

Facoltà di Architettura

Radiazione solare annua H (kWh/m2)

orizzontale verticale ottimale

minima 1605 1081 1788

media 1634 1131 1835

massima 1693 1184 1906

Produzione annua per kilowatt picco (kWh/kWp)

orizzontale verticale ottimale LABORATORIO DI COSTRUZIONI

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

orizzontale verticale ottimale

minima 1146 737 1251

media 1201 839 1343

massima 1252 886 1403

Angolo di inclinazione ottimale per i moduli fotovoltaici (in gradi)

Angolo

minimo 30

medio 31

massimo 32

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011

Dati sulla radiazione solare a Milano

Facoltà di Architettura

Radiazione solare annua H (kWh/m2)

orizzontale verticale ottimale

minima 1249 995 1450

media 1266 1014 1471

massima 1288 1030 1497

Produzione annua per kilowatt picco (kWh/kWp)

orizzontale verticale ottimale LABORATORIO DI COSTRUZIONI

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

Angolo di inclinazione ottimale per i moduli fotovoltaici (in gradi)

Angolo

minimo 35

medio 36

massimo 37

orizzontale verticale ottimale

minima 932 746 1076

media 942 764 1092

massima 958 776 1109

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011

Facoltà di Architettura

Conto Energia

I moduli fotovoltaici si basano su una tecnologia che permette di produrre direttamenteenergia elettrica.L’energia prodotta può essere utilizzata per soddisfare le nostre abituali richieste energetichee può essere rivenduta al gestore d’energia, in modo da poter abbattere totalmente i costidelle bollette elettriche.

Alla luce delle direttive europee sull’efficienza energetica degli edifici, tutti gli Stati Membridevono adottare strategie votate alla riduzione dei consumi di energia in edilizia,LABORATORIO DI COSTRUZIONI

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

devono adottare strategie votate alla riduzione dei consumi di energia in edilizia,promuovendo tra l’altro l’utilizzo di energie alternative che abbattono fortemente i consumipetroliferi e l’inquinamento atmosferico (protocollo di Kyoto).European Directive 2009/28/CE: Entro il 2020 in Italia devono essere installati 43.823 MW dafonti rinnovabili.In Italia il Conto Energia è possibile riversare la corrente prodotta dai pannelli fotovoltaicidirettamente nella rete pubblica e prelevare da essa la quantità di energia a noi necessariadurante il giorno (e la notte).

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011Conto EnergiaL’energia prodotta e data nella rete pubblica viene conteggiata da un contatore speciale che registra la quantità di energia elettrica prodotta dal nostro sistema fotovoltaico. Un altro contatore calcolerà, invece, l’energia consumata dall’utenza (il classico contatore dato in dotazione a tutte le abitazioni). Il conto energia permette di ridurre dalla bolletta tutti i kW prodotti sempre dal nostro pannello e di guadagnare su ogni kW prodotto e versato in rete.

Facoltà di Architettura

LABORATORIO DI COSTRUZIONIIn base alla potenza e alla tipologia dell’impianto PV è possibile realizzare una tabella che fornisce i guadagni calcolati per ogni kWh prodotto. I guadagni prodotti dal sistema PV varieranno in base alla potenza dell’impianto e alla tipologia dello stesso

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

LABORATORIO DI COSTRUZIONI

25 FEBBRAIO 2011

Nuovo Conto Energia 2011-2013

Facoltà di Architettura

L’obiettivo di potenza fotovoltaica entro il 2020 passa a 8.000 MW (contro i 1.000 MW attuali).

Si distingue tra gli LABORATORIO DI COSTRUZIONI

Laboratorio di Costruzioni

Modulo di Impianti

Si distingue tra gli impianti realizzati sugli

edifici

e quelli con una differente installazione