INTRODUZIONE ALLA PRODUZIONE FOTOVOLTAICA

L’obiettivo è modellare l’impianto fotovoltaico attraverso famiglie parametriche capaci di generare anche il calcolo della produzione energetica. Per fare ciò occorre trovare una formula matematica in modo tale da poterla inserire nei parametri per ottenere tale valore.

Facendo varie ricerche ho trovato più metodi per stimare la produzione di un impianto fotovoltaico, il più comune è sicuramente l’utilizzo di sistemi interattivi informatici come PVWatt o PVGIS, che attraverso calcoli matematici basati su informazioni climatiche forniscono tutti i dati relativi a produzione annua e giornaliera, questo però non permette di interfacciarsi con programmi che parametrizzano tale valore. Altri metodi più veloci e approssimativi posso essere semplici calcoli basati su dati tabellati che generano un dato abbastanza veritiero di quale possa essere la produzione del nostro impianto, l’unico inconveniente sarebbe creare una serie di parametri che partendo da determinati input riescano ad estrapolare i giusti valori da utilizzare dalle tabelle, e un terzo metodo è quello di servirsi di un programma di analisi energetiche (ad esempio VASARI) per trovare la radiazione precisa incidente su una determinata zona con la quale possiamo ricavarci la produzione.

Utilizzare una piattaforma informatica è una cosa molto facile se non ci interessiamo a quello che c’è dietro, dopo svariate ricerche ho trovato un foglio di calcolo che con pochi e facili passaggi calcola la produzione attraverso semplici moltiplicazioni di valori tabellati nel foglio stesso. Questo non mi bastava per capire la reale procedura, non avendo idea di cosa indicassero quei valori e del perché erano stati scelti, quindi le mie ricerche sono continuate fino a trovare un significato ad ogni valore.
 

I dati di input sono:

• Taglia dell’impianto [kW]
• Irradiazione solare media annua su superficie orizzontale [kWh/mq]
• Coefficiente correttivo di esposizione e inclinazione pannelli
• Perdite dell’impianto

La taglia è facilmente ricavabile moltiplicando la potenza nominale del pannello (potenza elettrica che un pannello è in grado di erogare in condizioni standard, cioè 1kW/mq di irraggiamento perpendicolare ai pannelli ad una temperatura delle celle di 25°C) per il numero di pannelli che decidiamo di installare.

Per fare una prova con i vari metodi iniziamo col calcolarci una porzione di impianto situata in copertura, con le seguenti caratteristiche:

CARATTERISTICHE PANNELLO

• Pannello PV Solbian SP 50L
• Potenza nominale 51 W
• Dimensioni 111x30 cm con una superficie di 0,33 mq

CARATTERISTICHE IMPIANTO

• N° pannello 560
• Potenza nominale impianto 28,56 kW
• Tilt 15°
• Azimut 150° nord (secondo la convenzione nella norma CEI EN 61194 “parametri caratteristici dei sistemi fotovoltaici” si assumono valori positivi dell’angolo di Azimut quelli che indicano un orientamento verso ovest, mentre valori negativi quelli che indicano un orientamento verso est. Quindi nel nostro caso abbiamo un azimut di -30°)

Poiché l’irraggiamento solare è variabile nel tempo, per determinare l’energia elettrica che l’impianto può produrre in un fissato intervallo di tempo si prende in considerazione la radiazione solare relativa a quell'intervallo di tempo. I valori della radiazione solare media in Italia si possono trovare:

• norma UNI 10349: riscaldamento e raffreddamento degli edifici
• atlante solare europeo
• banca dati ENEA

Le tabelle 2.1 e 2.2 rappresentano rispettivamente, per diverse località italiane, i valori della radiazione solare media annuale su piano orizzontale [kWh/m2] da norma UNI 10349 e valori medi giornalieri mese per mese [kWh/m2/giorno] da fonte ENEA.

Irradiazione solare media annua su superficie orizzontale nella città di Roma risulta essere 1612 kWh/mq

Il massimo rendimento di un pannello solare si avrebbe qualora l’incidenza dei raggi solari fosse sempre di 90°. Nella realtà l’incidenza della radiazione solare varia sia con la latitudine, sia nel corso dell’anno. Buoni risultati si ottengono con pannelli orientati verso sud-est o verso sud-ovest.

Per una prima valutazione della producibilità annua di energia elettrica di un impianto fotovoltaico e in genere sufficiente applicare alla radiazione media annuale sul piano orizzontale i coefficienti correttivi delle seguenti tabelle

Questo coefficiente correttivo di esposizione e inclinazione dei pannelli tiene conto delle perdite dovute all’orientamento degli stessi, nel nostro caso con un inclinazione di 15° e un orientamento di -30° abbiamo un coefficiente di 1,08

Le perdite dell’impianto sono quelle che riducono l’energia effettivamente prodotta, cioè  perdite di cavi, inverter, polvere o neve sui moduli etc… Ogni modello di calcolo suggerisce un valore diverso, PVGIS  calcola una perdita del 14%, altre piattaforme ed il foglio di calcolo moltiplicano  per un valore di 0,8.

Ottenuti tutti i valori si può calcolare la produzione col foglio di calcolo:

• taglia dell’impianto = 28,56 kW
• irradiazione solare media annua su piano orizzontale = 1612 kWh/mq
• coefficiente correttivo di esposizione e inclinazione pannelli = 1,08
• perdite dell’impianto = 0,8

moltiplicando questi dati otteniamo la PRODUZIONE FOTOVOLTAICA pari a 39777 kWh.

Questo studio mi ha aiutato a capire meglio il funzionamento delle piattaforme sul web. PVGIS  è una mappa informativa sul potenziale di energia solare di ogni regione europea, che mette a disposizione un servizio informativo interattivo per avere una stima di quanta energia ogni regione genera in base ad alcuni dati (potenza dell’energia solare, distribuzione geografica, tecnologia fotovoltaica usata).

La potenza erogata da un modulo FV non dipende solo da quanta energia arriva dal sole alla superficie dei moduli, ma dipende da:

• temperatura del modulo, ad alte temperature si riduce la potenza
• radiazione solare, a basse radiazioni l’efficienza è minore
• una parte di luce è riflessa dalla superficie dei moduli e non raggiunge il materiale fotovoltaico e perciò non contribuisce alla produzione di energia. Quanta luce sarà riflessa dipende dall’angolo con cui la luce incontra la superficie.

Pvgis stima il rendimento in base a una formula matematica che prende in considerazione questi parametri, si basa su un database di radiazione solare fatte da stazioni metereologiche, e attraverso i dati di input quali:

• luogo dell’istallazione = Roma
• tecnologia di PV usato = monocristallino
• perdite dell’impianto = 12%
• tilt = 15°
• azimut = -30°

genera tutti i dati di produzione, 39700 kWh

Il limite di questo tipo di sistemi è che non considerano caratteristiche del luogo che influenzano sul risultato (ombre o vento).

Un’altra prova interessante è stata quella di calcolare la radiazione solare con questo programma. PVGIS ci dà l’opportunità di calcolare la quantità di sole incidente sul piano orizzontale e anche inclinato, restituendoci questo valore in Wh/mq/ al giorno mese per mese, suggerendoci anche quale sarebbe l’inclinazione ottimale in quel determinato mese per ottenere la radiazione massima.

Ho provato ad applicare il calcolo precedentemente spiegato inserendo questo valore, cioè ho avviato l’analisi su un piano inclinato di 15° e moltiplicato la radiazione per 365 giorni in modo tale da ottenere l’irradiazione solare media annua su superficie inclinata [kWh/mq], permettendomi cosi di eliminare il parametro del coefficiente correttivo di esposizione e inclinazione dei pannelli. IL TENTATIVO E’ FALLITO, in quanto questo procedimento mi ha fatto trascurare l’orientamento del mio pannello (azimut).

Questa però mi sembra la strada giusta per poter inserire in revit il minor numero di parametri senza dover ricorrere a tabelle, che approssimano di gran lunga i calcoli.

Ultimo tentativo è quello di modellare il mio impianto in un programma di analisi energetica, quale VASARI, per ottenere un unico valore di radiazione solare incidente sul mio pannello che tenga già conto di tilt e azimut, ma cosa più importante, posso inserire anche caratteristiche del luogo d’istallazione per tenere conto anche di ombre portate sul mio impianto.

MODELLAZIONE IN VASARI

L'interfaccia di Vasari ha lo stesso funzionamento di Revit.

 

Procedo con la modellazione dell’edificio e della copertura inclinata aiutandomi con i piani di riferimento.

 

 

 

l'edificio è pronto, e ora posso modellare una massa che avrà le dimensioni del mio impianto fotovoltaico.

Per prima cosa imposto come piano di lavoro la falda inclinata

 

 

 

l'orientamento del mio edificio è di 150° nord, o meglio -30° sud-est

 

 

imposto il luogo dell'istallazione

 

 

seleziono la superficie da analizzare e il periodo dell'analisi.

 

 

 

Il risultato è una radiazione di 1080 kWh/mq,  questo dato moltiplicato alla potenza nominale del mio impianto (cosa che dovrebbedarmi la produzione energetica) è uguale a 30844 kWh, senza calcolare le perdite...... NETTAMENTE INFERIORE ALLE DUE PROVE PRECEDENTI....

 

STATO DI AVANZAMENTO

Il modello conteneva errori di precisione nella giunzione con la copertura, essendo Vasari una verione beta può dare problemi con l'analisi se il modello non è corretto.

Dopo aver perfezionato il modello ho visualizzato i risultati in punti sulla mia superficie

Altro errore commesso stava nell’impostazione del periodo di calcolo, avevo impostato cumulativo in un anno, ma senza spuntare la voce “dall’alba al tramonto”.

Dopo varie prove per ottenere un risultato veritiero sono arrivata alla conclusione che vasari sviluppa un calcolo su un algoritmo differente, ho provato a calcolare la radiazione su un piano orizzontale a Roma, sperando che il risultato fosse uguale a quello tabellato da norma UNI 10349  (considerando che il piano orizzontale non è influenzato dall’orientamento).

Purtroppo mi viene 1006,52 invece dei 1612 kWh/mq.

Niente da fare!!

Ho trovato l’algoritmo su cui si basano i calcoli di Revit dal link , (http://sustainabilityworkshop.autodesk.com/buildings/solar-radiation-metrics) in modo tale da capire i parametri che vengono considerati

RADIAZIONE SOLARE INCIDENTE = (Ib * Fshading * cos(theta))+ (Id * Fsky) + Ir

Dove:

    Ib = radiazione diretta misurata perpendicolarmente ai raggi del sole

    Id = radiazione diffusa misurata su piano orizzontale

    Ir = radiazione riflessa del sole

    Fshading = fattore di ombreggiatura (1 se non è in ombra, 0 se lo è completamente)

    Fsky = fattore di cielo visibile

    Theta = angolo di incidenza tra sole e superficie analizzata

Ho messo in discussione il dato tabellato da norma essendo troppo generico e relativo solo a determinate città. Sul sito dell’ENEA fonti rinnovabili (http://www.solaritaly.enea.it/CalcRggmmOrizz/Calcola1.php) mettono a disposizione pagine interattive per il calcolo della radiazione solare sia su piano orizzontale che inclinato , e sono stimate a partire dalle immagini satellitari di copertura nuvolosa acquisite dall'ente europeo EUMETSAT (e non prese dalla norma UNI 10349).

La radiazione globale sul piano orizzontale è data dalla somma delle due frazioni diretta e diffusa. La procedura corregge la frazione diretta tenendo conto dell'eventuale presenza di ostacoli (ombreggiamenti dovuti a manufatti vicini, configurazioni particolari del suolo ecc.) che intercettano i raggi diretti dal sole alla superficie.

I dati richiesti dal sito dell’enea per il calcolo della radiazione solare su superficie orizzontale sono

• coordinate
• modello per il calcolo della frazione della radiazione diffusa rispetto alla globale (UNI 8477, ENEA-SOLTERM, Iqbal)
• unità di misura per la R.g.g.m.m
• periodo di calcolo
• eventuale presenza di un ostacoli certi, indicando il periodo di persistenza

I risultati sono le medie giornaliere per ogni mese. In questo metodo la radiazione solare risulta essere 1517 kWh/mq.

Per la radiazione su piano inclinato si inseriscono i seguenti dati:

• coordinate
• angoli che definiscono la posizione della superficie ricevente: Azimut, Tilt
• modello per il calcolo della frazione della radiazione diffusa rispetto alla globale (UNI 8477, ENEA-SOLTERM, Iqbal)
• coefficiente di riflessione del suolo
• unità di misura per la R.g.g.m.m
• periodo di calcolo
• eventuale presenza di un ostacoli certi, indicando il periodo di persistenza

Partendo da questi nuovi valori di base provo a immettere nuovamente i miei dati in PWGIS e nel foglio excell.

I valori risultanti combaciano!

Credo di poter mettere un punto su questa strada.

Il modello dell’impianto fotovoltaico in revit potrà calcolarmi la producibilità attraverso questi dati:

• irraggiamento su piano orizzontale = 1517 kWh/mq
• taglia dell’impiato
• coefficiente correttivo
• perdite

L’altra strada resta quella di vasari, visto che non posso paragonare questi dati con il foglio excell e con PVGIS, li confronterò con i dati ricavati da un'altra piattaforma su web “PVwatt”, che si basa su su algoritmo differente (dato  che i risultati sono inferiori).

Una domanda lecita sarebbe: quale delle due piattaforme è più affidabile?

In base a discussioni che girano in internet si direbbe che quella da noi precedentemente usata sia la più quotata, ma l’esperienza del Solar Decathlon mi porta a dire il contrario, in quanto, prima di procedere con tutti i calcoli del prototipo abbiamo confrontato la campana di produzione registrata nella competizione precedente con quella proveniente da PVwatt, e si può dire che combaciano.

PVwatt non consente l’inserimento di tutte le città, stranamente Roma non è nell’elenco, quindi ho deciso di fare  il testa a Parigi.

Irraggiamento * potenza nominale = 786* 28.56 = 22449 kWh a meno di perdite