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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA >Impianti fotovoltaici domestici con batteria. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Fonti di energia alternative Un sistema solare a batterie può alimentare numerosi elettrodomestici purché il loro consumo energetico non superi la potenza del generatore. Pertanto, è necessario determinare correttamente la potenza del sistema. Il primo passo in questa direzione è la stesura di un disciplinare, ovvero descrizione tecnica del sistema.
Calcolo energetico Quando si progetta un impianto fotovoltaico domestico è necessario innanzitutto fare un elenco di tutti gli elettrodomestici presenti in casa, conoscere il loro consumo energetico e aggiungerli all'elenco. La tabella seguente fornisce informazioni sul consumo energetico medio di alcuni dispositivi come riferimento. Tuttavia, va ricordato che queste sono solo stime approssimative. Per calcolare il consumo energetico (E) di un sistema inverter (per apparecchi AC), è necessario apportare una correzione (moltiplicare il consumo medio per il fattore C per ottenere la potenza totale).
Per il funzionamento di altri apparecchi elettrici: frigorifero, ferro da stiro, ventilatore, fornello elettrico, ecc. - avrai bisogno di un sistema più grande e più costoso. Poiché questi sistemi non sono soggetti a standard uniformi, ma dipendono dalle esigenze specifiche del consumatore, il calcolo deve essere eseguito da uno specialista. In secondo luogo è necessario valutare per quanto tempo durante la giornata vengono utilizzati determinati elettrodomestici. Ad esempio, una lampadina in soggiorno resta accesa 10 ore al giorno, ma nella dispensa solo 10 minuti. Registrare queste informazioni nella seconda colonna della tabella seguente. Quindi crea una terza colonna in cui inserisci il tuo fabbisogno energetico quotidiano. Per determinarlo è necessario moltiplicare la potenza del dispositivo per la sua autonomia, ad esempio: 27 W x 4 ore = 108 Wh. Scrivi il numero risultante nella terza colonna: questo è il tuo consumo energetico totale giornaliero.
Successivamente, è necessario determinare la quantità di energia solare su cui si può contare in una determinata area. Questi dati possono solitamente essere ottenuti dal fornitore locale di pannelli solari o dalla stazione meteorologica. È importante considerare due fattori: la radiazione solare media annua, nonché i suoi valori medi mensili nelle peggiori condizioni meteorologiche (vedere informazioni generali nel capitolo "Radiazione solare"). Con il primo valore è possibile adeguare l'impianto fotovoltaico alla radiazione solare media annua, per cui in alcuni mesi si avrà più energia del necessario e in altri meno. Se scegli il secondo numero, avrai sempre almeno energia sufficiente per soddisfare i tuoi bisogni, tranne durante periodi estremamente lunghi di maltempo. Ora puoi calcolare la potenza nominale del modulo fotovoltaico. Moltiplicare il consumo di energia (Wh al giorno) per un fattore di 1,7 per correggere le perdite di energia nel sistema, quindi dividere per la radiazione solare (Wh al giorno), ad esempio 280 (Wh/giorno) x 1,7/5 (Wh /giorno) = 96,2 W. Sfortunatamente, la scelta della potenza nominale dei moduli fotovoltaici è limitata. Utilizzando moduli da 50 W, puoi costruire un generatore con una potenza di 50 W, 100 W, 150 W, ecc. Se il fabbisogno energetico è di 95 W, il modo migliore per soddisfarlo è un sistema a due moduli. Se la potenza totale dei moduli differisce notevolmente dal valore calcolato, sarà necessario utilizzare un generatore non sufficientemente potente o troppo potente. Nel primo caso la batteria fotografica non sarà in grado di soddisfare la richiesta energetica totale. Sta a te decidere se sei soddisfatto della fornitura parziale delle tue esigenze. Nel secondo caso, avrai elettricità in eccesso. La determinazione della dimensione della batteria dipende dalla richiesta di energia e dal numero di moduli fotovoltaici. Nell'esempio fornito, la capacità minima della batteria sarà di 60 ampere-ora (Ah) e la capacità ottimale della batteria sarà di 100 Ah. Una batteria di questo tipo sarà in grado di immagazzinare 1200 Wh a 12 V. Ciò è sufficiente per fornire elettricità nel caso sopra descritto, quando il consumo energetico giornaliero è di 280 Wh.
Pressione costante In passato quasi tutti gli impianti fotovoltaici utilizzavano una tensione costante di 12 V. Molto diffusi erano i dispositivi a 12 V alimentati direttamente dalla batteria. Ora, con l'avvento di inverter efficienti e affidabili, le batterie utilizzano sempre più la tensione a 24 V. Attualmente, la tensione del sistema elettrico è determinata dall'energia giornaliera assorbita durante il giorno. I sistemi che producono e consumano meno di 2000 Wh al giorno sono meglio abbinati a 12 V. I sistemi che producono 2000-6000 Wh al giorno utilizzano in genere 24 V. I sistemi che producono più di 6000 Wh al giorno, utilizzano 48 V. La tensione di linea è un fattore molto importante che influisce sull'inverter, sui controlli, sul caricabatterie e sul cablaggio. Una volta acquistati tutti questi componenti, sono difficili da sostituire. Alcuni componenti del sistema, come i moduli fotovoltaici, possono essere commutati da 12 V a una tensione più elevata, mentre altri - l'inverter, il cablaggio e i controlli - sono progettati per una tensione specifica e possono funzionare solo entro tale tensione. Batteria La batteria immagazzina l'energia generata dal modulo solare. La batteria compensa periodi di maltempo o consumi energetici troppo elevati (rimessaggio a medio termine).
Le batterie più comunemente utilizzate sono le batterie per auto, che sono convenienti e disponibili in tutto il mondo. Tuttavia, sono progettati per trasmettere grandi correnti per un breve periodo di tempo. Non sopportano i lunghi cicli di carica-scarica tipici dei sistemi solari. L'industria produce il cosiddetto. batterie solari che soddisfano questi requisiti. La loro caratteristica principale è la bassa sensibilità al funzionamento in modalità ciclica. Sfortunatamente, solo pochi paesi in via di sviluppo producono batterie di questo tipo, e quelle importate hanno costi proibitivi a causa dei costi di spedizione e dei dazi doganali. In una situazione del genere, puoi utilizzare potenti batterie per camion: questa è un'opzione più conveniente, anche se dovranno essere cambiate più spesso. Per un grande impianto fotovoltaico la capacità di una batteria potrebbe non essere sufficiente. Successivamente è possibile collegare più batterie in parallelo, collegando tra loro tutti i poli positivi e tutti quelli negativi. Per il collegamento è necessario utilizzare un filo di rame spesso, preferibilmente non più lungo di 30 cm Durante la ricarica, la batteria emette gas potenzialmente esplosivi. Pertanto, è necessario fare attenzione alle fiamme libere. Tuttavia le emissioni di gas sono trascurabili, soprattutto se viene utilizzato un regolatore di carica; quindi il rischio non è maggiore di quello normalmente associato all'utilizzo di una batteria in un'auto. Tuttavia, le batterie necessitano di una buona ventilazione. Pertanto, non dovresti coprirli e nasconderli nelle scatole. La capacità della batteria è indicata in ampere-ora. Ad esempio, una batteria da 100 V da 12 Ah può immagazzinare 1200 Wh (12 V x 100 Ah). Tuttavia, la capacità dipende dalla durata del processo di carica o scarica. Il periodo di ricarica è indicato come indice di capacità C, ad esempio "C100" per 100 ore. Tieni presente che i produttori possono produrre batterie per periodi base diversi. Quando si immagazzina energia in una batteria, una certa quantità di essa viene persa durante lo stoccaggio. Le batterie per auto hanno un’efficienza di circa il 75%, mentre le batterie solari hanno prestazioni leggermente migliori. Parte della capacità della batteria viene persa ad ogni ciclo di carica-scarica finché non diventa così bassa da dover essere sostituita. Le batterie solari durano più a lungo delle batterie per auto ad alta potenza, che durano 2-3 anni. Dimensionamento della batteria È importante che la batteria sia dimensionata per immagazzinare energia per almeno 4 giorni. Immaginiamo un sistema che consumi 2480 Wh al giorno. Dividendo questo dato per la tensione di 12 volt, otteniamo un consumo giornaliero di 206 Ah. Quindi 4 giorni di storage equivalgono a: 4 giorni x 206 Ah al giorno, equivalgono a 824 Ah. Se si utilizza una batteria al piombo, a questo valore occorre aggiungere il 20% in modo che la batteria non sia mai completamente scarica. Ciò significa che la capacità della nostra batteria al piombo ideale è di 989 Ah. Se si utilizza una batteria al cadmio-nichel o ferro-nichel, non è necessaria una capacità aggiuntiva del 20%, perché Le batterie alcaline non vengono danneggiate da una scarica completa regolare. regolatore di carica Una batteria durerà diversi anni solo se utilizzata insieme a un regolatore di carica di qualità che protegge la batteria dal sovraccarico e dallo scaricamento completo. Se la batteria è completamente carica, il regolatore riduce il livello di corrente generata dal modulo solare ad un valore che compensa la naturale perdita di carica. Al contrario, il regolatore interrompe la fornitura di energia ai dispositivi utilizzatori quando la batteria è scarica a un livello critico. Pertanto, un'improvvisa interruzione dell'alimentazione elettrica potrebbe non essere causata da un guasto del sistema, ma come conseguenza di questo meccanismo di protezione.
I regolatori di carica sono dispositivi elettronici che possono danneggiarsi anche a causa di malfunzionamenti o di un errato utilizzo dell'impianto. I modelli più avanzati sono dotati di fusibili per prevenire danni al regolatore e ad altri componenti del sistema. Tra questi ci sono i fusibili contro i cortocircuiti e i cambiamenti di polarità (quando i poli +/- sono invertiti), un diodo di blocco che impedisce alla batteria di scaricarsi durante la notte. Molti modelli sono dotati di LED che indicano lo stato di funzionamento e il guasto del sistema. Alcuni modelli indicano addirittura il livello di carica della batteria, anche se è molto difficile determinarlo con precisione.
Инвертор L'inverter converte la corrente continua a bassa tensione in corrente alternata standard (120 o 240 V, 50 o 60 Hz). Gli inverter vanno da 250 watt (che costano circa $ 300) a oltre 8000 watt (circa $ 6). L'elettricità prodotta dai moderni inverter sinusoidali è di qualità migliore di quella fornita a casa tua dalla rete elettrica locale.
Esistono anche inverter sinusoidali "modificati": non sono così costosi, ma sono comunque adatti per la maggior parte delle applicazioni domestiche. Potrebbero causare leggere interferenze, o "rumore", nelle apparecchiature elettroniche e nei telefoni. Un inverter può fungere da “buffer” tra la casa e la rete pubblica, consentendo di vendere l’elettricità in eccesso nella rete pubblica.
cavi Il modo migliore per evitare inutili perdite è utilizzare cavi elettrici adeguati e collegarli correttamente ai dispositivi. Il cavo dovrebbe essere il più corto possibile. I cavi che collegano vari dispositivi devono avere una sezione trasversale di almeno 1,6 mm2. Per garantire che la caduta di tensione non superi il 3%, il cavo tra il modulo solare e la batteria deve avere una sezione di 0,35 mm2 (sistema a 12 Volt) o 0,17 mm2 (24 V) per 1 metro per modulo. Cioè, un cavo lungo 10 m per due moduli non dovrebbe essere più sottile: 10 x 2 x 0,35 mm2 = 7 mm2. Poiché i cavi più grandi di 10 mm2 sono difficili da maneggiare e ancora più difficili da trovare, a volte bisogna accettare perdite maggiori. Se parte del cavo corre all'esterno, deve essere resistente alle intemperie. Molto importante è anche la sua resistenza alle radiazioni ultraviolette. Inseguitori solari I moduli fotovoltaici funzionano meglio quando le celle fotovoltaiche sono posizionate perpendicolarmente ai raggi del sole. L’inseguimento solare può aumentare la produzione annua di energia del 10% in inverno e del 40% in estate rispetto a un modulo fotovoltaico fisso. Il “tracking” viene implementato montando un modulo solare su una piattaforma mobile che ruota dietro il sole. Il primo passo è valutare il beneficio dell’energia extra ottenuta dall’inseguimento solare rispetto al costo di installazione e manutenzione del sistema di inseguimento. I dispositivi di localizzazione non sono economici. In molti paesi non ha senso dal punto di vista economico installare un inseguitore solare per meno di otto pannelli solari (ad esempio negli Stati Uniti). Con otto moduli fotovoltaici, otterremo più energia se spendiamo soldi per più pannelli anziché installare un sistema di inseguimento. Solo con otto o più pannelli il dispositivo di localizzazione si ripaga da solo. Esistono eccezioni a questa regola: ad esempio, quando i pannelli fotovoltaici alimentano direttamente una pompa dell'acqua, senza batteria, l'inseguimento solare è vantaggioso per due o più moduli. Ciò è dovuto a caratteristiche tecniche, come la tensione massima richiesta per alimentare il motore della pompa. lampade Grazie alla loro elevata efficienza e alla lunga durata, le lampade a risparmio energetico sono consigliate per l'uso negli impianti fotovoltaici. Le lampade fluorescenti o le nuove lampade fluorescenti compatte (CFL) sono adatte per molte applicazioni. La CFL da 18 watt sostituisce la tradizionale lampadina a incandescenza da 100 watt. Se queste lampade sono alimentate da un sistema DC, necessitano di un alimentatore elettronico. La qualità della zavorra può essere molto diversa, persino insoddisfacente. Una zavorra di bassa qualità comporterà costi aggiuntivi per la sostituzione costante delle lampade. Il reattore deve essere efficiente, fornire un gran numero di avviamenti, accensione affidabile a basse temperature e bassa tensione (10,5 V), nonché protezione contro cortocircuiti, circuiti aperti, cambiamenti di polarità e interferenze radio. Sebbene la maggior parte delle lampade fluorescenti compatte funzioni solo con corrente alternata, alcune aziende offrono lampade alimentate con corrente continua. Durata di servizio e prezzo dei componenti Un fattore molto importante nell'analisi economica è la durata di vita dell'impianto fotovoltaico. La durata dei diversi componenti dell'alimentatore solare viene calcolata in base all'esperienza acquisita negli ultimi anni.
Dati di esempio per la determinazione del prezzo di alcuni componenti:
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