Collaudo e manutenzione impianti fotovoltaici

Come collaudare un impianto fotovoltaico per determinare il rendimento energetico secondo le normative da rispettare per collegarsi alla rete elettrica?

Determinare il rendimento energetico di un impianto fotovoltaico significa valutare, secondo le le prescrizioni del D.M. 19/02/2007 e della Guida CEI 82-25, che i parametri adimensionali del rendimento DC in uscita dai pannelli solari e del rendimento AC in uscita dall’inverter siano sempre maggiori di determinate soglie misurate in condizioni di irraggiamento solare stabile > 600 W/m².

La particolare struttura degli impianti solari, dove le celle e le apparecchiature elettroniche sono spesso distanti tra loro, e dove la variabile indipendente più importante, l'irraggiamento solare, è per definizione non controllabile dall'uomo, rende più complesso di quanto possa sembrare le misure di potenza elettrica necessarie per valutare correttamente il rendimento energetico.

Sono così stati sviluppati diversi strumenti di misura specializzati nati proprio per facilitare il compito degli installatori di impianti fotovoltaici.

Un esempio interessante sono i modelli SOLAR300N e I-V 400 di HT Italia, che consentono di eseguire test completi di verifica su installazioni fotovoltaiche di tipo monofase o trifase sia dal punto di vista del collaudo finale, per determinare l'efficienza dell'impianto sui lati DC e AC dell’inverter, sia dal punto di vista della manutenzione periodica dello stato funzionale dei singoli pannelli/stringhe costituenti il cosiddetto “generatore fotovoltaico”.

Al fine di ottenere valori significativi dei rendimenti (ηdc ed ηac nella figura a fianco che mostra il risultato finale ottenuto con lo strumento SOLAR300N) è assolutamente necessario che essi siano calcolati in modo simultaneo, cioè nelle stesse condizioni temporali pertanto, considerando che tipicamente l’inverter è posizionato in modo diametralmente opposto ai pannelli, la soluzione ottimale è quella di avere due unità indipendenti, tra loro temporalmente sincronizzate in grado di gestire sia misure e registrazioni di tipo elettrico sia di tipo ambientale (temperatura e irraggiamento).

Per facilitare questo tipo di misure a distanza HT Italia ha sviluppato l’unità remota SOLAR-02 che, dopo una iniziale sincronizzazione con l’unità master SOLAR I-V (tramite collegamento USB) può essere dislocata presso i pannelli fotovoltaici collegando ad essa le sonde di irraggiamento e temperatura realizzando in questo modo le registrazioni in modo semplice e rapido.

Inoltre, poiché la generazione energetica mediante celle solari implica lo sfruttamento di energia sotto forma di corrente continua di intensità variabile nel tempo, che viene trasformata mediante inverter e regolatori elettronici in corrente alternata monofase o trifase, spesso è necessario monitorare continuamente la qualità del segnale in alternata verso la rete elettrica per verificare il rispetto delle norme tecniche richieste per l'interconnessione.

Procedura di collaudo di un impianto fotovoltaico

Lo strumento SOLAR300N può eseguire sia operazioni di collaudo (con periodicità fissa di 5 s tra la rilevazione dei campioni) al fine di realizzare rapide esecuzioni di notevole utilità in caso di installazioni composte da numerose stringhe da esaminare, sia operazioni di registrazione (con periodicità selezionabile tra 1 s e 60 minuti tra la rilevazione dei campioni) in modo da poter lasciare l’unità anche per periodi di tempo prolungati qualora le condizioni di irraggiamento non fossero immediatamente adeguate.

Riassumiamo brevemente un esempio concreto di utilizzo degli strumenti di misura di HT Italia per il collaudo di un impianto fotovoltaico, in questo schema di principio relativo al caso monofase:

1. Si collega il SOLAR300N ai lati dell’inverter
2. Si mette in comunicazione l’unità remota SOLAR-02 con il SOLAR300N
3. Si attiva il collaudo sul SOLAR300N. All’istante “00” successivo all’attivazione del collaudo le due unità sono sincronizzate
4. Si porta il SOLAR-02 in prossimità dei pannelli e vi si collegano le sonde di temperatura e irraggiamento leggendo anche in tempo reale i valori
5. Al raggiungimento della condizione di irraggiamento > 600W/m² si scollegano le sonde dal SOLAR-02
6. Si riporta il SOLAR-02 presso il SOLAR300N e si termina il collaudo
7. Il SOLAR 300N elabora i dati e fornisce l’esito negativo o positivo del collaudo

Analisi della qualità delle rete elettrica

Lo stesso strumento SOLAR300N è dotato di tutte le funzionalità necessarie per il controllo della qualità di una linea di alimentazione elettrica secondo le normative EN50160.

In particolare, SOLAR300N è in grado di offire le seguenti funzionalità per le misure di qualità della rete:

• Analisi periodica in vero valore efficace (True RMS) di ogni grandezza elettrica (tensioni, correnti, potenze, energie, cosφ)
• Analisi armonica tensioni e correnti fino al 49° ordine con calcolo della THD%
• Rilevazione delle anomalie di tensione (buchi, picchi) con risoluzione 10 ms
• Visualizzazione diagrammi vettoriali tensioni/correnti
• Visualizzazione forme d’onda su display TFT “touch-screen” e grafici a istogramma analisi armonica
• Analisi del flicker
• Rilevazione correnti di spunto delle macchine elettriche con risoluzione 10 ms
• Rilevazione spikes di tensione istantanei con risoluzione 5 μs

Misura valori in vero valore efficace

Forme d'onda rete elettrica

Visualizzazione diagramma vettoriale

Armoniche sul neutro

Manutenzione e caratteristica I-V dei moduli fotovoltaici

La caratteristica (o curva) I-V (corrente-tensione) rappresenta una sorta di “carta d’identità” di un modulo fotovoltaico o cella solare.

Con la caratteristica I-V del modulo, il costruttore fornisce informazioni relative alla corrente di corto circuito, alla tensione a vuoto ed alla generazione di potenza.

Perchè è importante misurare la caratteristica I-V dei moduli installati e confrontala con la caratteristica dichiarata dal costruttore?

Mentre le operazioni di collaudo di impianto fotovoltaico sono normalmente eseguite al completamento dell’installazione, le ordinarie operazioni di manutenzione dell’impianto (che tipicamente deve avere durata almeno ventennale) sono certamente necessarie al fine di mantenere le condizioni di efficienza maggiori possibili.

In tale contesto è quindi importante capire se un modulo danneggiato all’interno di una stringa possa essere responsabile di bassi rendimenti o se non corrisponde alle specifiche dichiarate dal costruttore.

Le caratteristiche I-V vengono fornite dai costruttori alle seguenti condizioni di prova standard STC (Standard Test Conditions) al fine di uniformarne la notazione:

• Irraggiamento pari a 1000 W/m²
• Temperatura 25 ±2 °C
• AM (Air Mass) pari a 1,5 (inclinazione 48,2° dei raggi solari rispetto allo Zenith)

Ovviamente, in campo, raramente si effettuano le misurazioni alle condizioni STC, pertanto per poter confrontare la caratteristica I-V misurata con quanto dichiarato dal costruttore dei moduli occorre riportare la caratteristica misurata (OPC) alle STC adottando un algoritmo apposito previsto dalla normativa di riferimento IEC/EN60891. Per effettuare la conversione da condizioni reali a condizioni standard occorre però conoscere la temperatura dei moduli e l’irraggiamento incidente.

Lo strumento I-V 400 consente di eseguire i test sia su singoli moduli sia su stringhe di moduli fotovoltaici con possibilità di inserire in un proprio database interno le specifiche tecniche dei moduli definite dai costruttori.

Nella misura su stringhe lo strumento sulla base dei risultati ricava le prestazioni di un “pannello medio” in modo da poter confrontare direttamente i valori ottenuti con quelli dichiarati nel datasheet del modulo stesso (che ovviamente sono sempre riferiti ad 1 solo modulo).

Se un modulo è danneggiato il “pannello medio” avrà prestazioni al di fuori della tolleranza dichiarata dal costruttore. Occorre quindi ripetere le prove su ogni singolo modulo al fine di capire quali sono quelli danneggiati.

Grazie al software TopView fornito in dotazione, si può tipica visualizzare su un comune PC la caratteristica I-V estrapolata dallo strumento.

Nelle figure seguenti sono riportate le videate tipiche presentate dallo strumento I-V 400 al termine della misurazione delle caratteristiche I-V su singoli moduli fotovoltaici.