Pannelli solari - regolatori quello che ce da sapere

[VelaNera]

Ciao a tutti!

Mi prendo un po tempo dalle mie ferie per affrontare in un post un po’ di tematiche che mi vengono ricorrentemente richieste via MP e credo valga la pena affrontarle in un post aperto perché’ rimanga a beneficio di tutti. Molti di voi mi conoscono perché hanno acquistato dalla mia azienda pannelli solari semi-flessibili ma in questo post vorrei solo mettere a disposizione la mia conoscenza in alcune tematiche . Mi sembra doveroso dare il mio apporto sulle tematiche nelle quali sono piu ferrato visto che seguo il forum per tematiche più tecniche legate alla vela per il quale lo ammetto sono molto meno ferrato (non mi sento un gran velista, ahahah).

Ad ogni modo, non voglio parlare della mia azienda, questo post ha solo scopo informativo, quindi per tutto ciò strettamente legato alla FLY Solartech cortesemente contattatemi in privato.
Questo e' un post generale sul tema

E’ molto difficile condensare argomenti molto tecnici e dalle mille sfaccettature in poche parole ma cercherò’ di dare alcune nozioni base.
Capitolo 1
DIFFERENZE COSTRUTTIVE PANNELLI SOLARI

PANNELLI TRADIZIONALI (Rigidi)
I pannelli tradizionali sono costruiti seguendo le schema qui sotto
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PANNELLI SOLARI SEMI-FLESSIBILI
I pannelli semi-flessibili sono costruiti seguendo le schema qui sotto, possono avere più o meno strati di incapsulante (EVA) e differenti superfici (PET,PTP,ETFE)
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DIFFERENZE SOSTANZIALI:
I pannelli semi-flessibili differiscono dai pannelli tradizionali per peso (solitamente pesano 80% in meno) e per la loro proprietà’ di assumere curve più o meno accentuate in base alla tipologia di cella e di processo costruttivo.

NB: I pannelli rigidi hanno costi INFERIORI perché’ prodotti in linee di produzione automatiche, inoltre, non dovendo piegarsi i materiali utilizzati sono molto differenti.
Al contempo il 90% dei pannelli rigidi non e’ coperto da garanzia se installato in ambito Marino. Solo pochi produttori costruiscono i pannelli rigidi seguendo gli standard del test da “Nebbia Salina” . Cio’ significa che oltre a deteriorarsi la cornice e il successivo incapsulamento (I pannelli tradizionali hanno solo due strati di incapsulante avendo la cornice di supporto a differenza dei pannelli semi-flessibili delle più importati marche che ne hanno quattro) NON sono coperti da alcuna garanzia.

Il test di corrosione consente di verificare la resistenza di componenti e materiali destinati ad installazioni in aree con alte concentrazioni di nebbia salina, in quanto il sale può ridurre la resistenza delle parti metalliche e non. Il livello 1 del test di corrosione, in conformità alla normative IEC60068-2-52, è utilizzato per testare prodotti che vengono impiegati in ambienti marini o in prossimità del mare ed esposti in questi ambienti per la maggior parte della loro vita operativa (per es. attrezzature navali). Il livello 1 è comunemente usato come test di corrosione generale nelle procedure di garanzia della qualità dei componenti.
Il test di corrosione livello 1 dura 28 giorni con quattro cicli di test. I moduli vengono disposti per sette giorni in una apposita camera, all’interno della quale viene nebulizzata la soluzione salina di prova ad una temperatura di 33 °C ed 85 % di umidità. Questa procedura viene ripetuta per quattro volte in ogni ciclo di test. Il test accelerato in laboratorio simula gli effetti di un’atmosfera con alte concentrazioni di sale durante l’intera vita di un modulo solare.

Capitolo 2
POLICRISTALLINO - MONOCRISTALLINO - SUNPOWER

Ci tengo a chiarire una cosa prima di tutto, le celle SUNPOWER SONO CELLE MONOCRISTALLINE senza alcuna differenza costruttiva se non avere i contatti nella parte inferiore della cella il che permette alla cella Sunpower di avere una superficie di produzione omogenea . La mancanza dei BUSBAR sulla parte superficiale della cella permette di avere una maggiore superficie e quindi di produrre maggiore potenza nominale a parità’ di superficie occupata.


Detto questo tratterò’ le celle Sunpower al pari di qualsiasi altro monocristallino.

La differenza principale e’ che il monocristallono riesce a raggiungere delle percentuali di efficienza (W al metro quadro) solitamente maggiori dei policristallini anche se la forbice negli ultimi anni si e’ chiusa di molto ed ora balla un solo 1.5% tra il miglior mono e il miglior policristallino.

Altra parte il policristallino e’ meno costoso (processo di creazione più semplice) e solitamente più flessibile rispetto al monocristallino.

Quale e’ il migliore?

Non c’e’ risposta se non DIPENDE…

Saltando la descrizione del perché’ (orientamento dei cristalli) il monocristallino tendenzialmente svilupperà molti più Ampere istantanei quando il solo sarà’ perpendicolare alla cella, il policristallino invece avrà’ una produzione con picchi più bassi quando il sole sarà’ perfettamente perpendicolare ma produrre’ leggermente di più in caso di una non perfetta esposizione al sole.

Quindi, potete direzionare il pannello? Monocristallino.
Il pannello e’ piatto perché ad esempio e’ installato sul Bimini e avete spazio sufficiente per un policristallino allora quello sarà’ il prodotto più adeguato.

Vi mostro un semplice video fatto da me, al fine di dimostrarvi ciò di cui sto parlando, pannelli distesi come fossero installati su di un Bimini, risultato pannello Sunpower 4.5A pannello Poli 5A , se li avessi direzionati il risultato si sarebbe capovolto.
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Capitolo 3
Pannelli Semi-flessibili differenze

Cercherò’ di spiegare le differenze tra i pannelli e come mai questo si riflette nel prezzo.

Numero strati:
- 5 Strati sono gli strati minimi utilizzati nei pannelli semi-flessibili, quelli cinesi per contenere i costi utilizzano 5 strati (struttura simile ai pannelli rigidi). I pannelli ben costruiti vanno dai 7 ai 9 strati in funzione di quali sono gli strati superiori o inferiori

- Qualita’ celle, come tutti i prodotti industriali anche le celle hanno una classificazione della loro qualità . Le celle vengono suddivise in:

1. CLASSE A cella perfetta
2. CLASSE A- (valida solo per i mono) cella perfetta tecnicamente ma con colorazione non omogenea
3. CLASSE B Cella non perfetta
4. CLASSE C Cella con problematiche più o meno gravi

Come si fa a riconoscerle? Impossibile se non avete una macchina per il flash test, ma ad esempio molti pannelli cinesi con celle Sunpower costano esattamente il prezzo dell’acquisto delle sole celle grado A Sunpower, questo vi può’ far capire che sicuramente non vengono usati gradi A

- Tipologia di BUSBAR e connessioni, Argento o Alluminio
- Materiali costruttivi, ottimi incapsulanti, PET o ETFE ecc (qui il discorso sarebbe molto lungo se a qualcuno interessa posso fare un commento a parte)
il PET, un altro polimero plastico estremamente diffuso in praticamente tutti i campi della produzione industriale, che nel nostro caso viene impiegato come rivestimento esterno per i pannelli flessibili poiché dotato di buone proprietà di resistenza meccanica, malleabilità nella lavorazione e flessibilità una volta lavorato.
Considerando il grado e la durata della protezione offerta dall’impego di questi materiali, difficilmente se ne può suggerire l’uso indiscriminato in ambiti che prevedono costanti o comunque persistenti condizioni climatiche avverse. E’ risaputo infatti che il PET gode di una bassa resistenza termica a breve termine e pertanto l’uso in ambienti molto caldi è sconsigliato.  Inoltre il PET non è in grado di resistere agli attacchi di natura chimica causati dai vari composti acidi ed alcalini disciolti nelle acque i quali a lungo andare provocheranno prima l’ingiallimento e poi la delaminazione o la rottura dello strato plastico. 
Il punti di forza di questa tipologia di prodotti si concentrano quindi nella flessibilità del pannello, nel suo peso e dimensioni ridotte (sia del pannello che della scatola di giunzione) e soprattutto nel risparmio economico dato dall’uso di polimeri plastici molto diffusi e facilmente lavorabili.
Se però andiamo a considerare un campo applicativo come quello della nautica, ci accorgiamo che queste proprietà, per quanto sicuramente vantaggiose, da sole non sono sufficienti a garantire un’alta longevità del prodotto.
In mare infatti l’esposizione ad agenti deterioranti è praticamente costante e in certi casi anche lo stress fisico causato da un tratto di mare molto agitato può causare danni alle celle fotovoltaiche se queste non godono di un adeguata protezione. Per questo i pannelli più perfomanti vengono costruiti in ETFE.
Per quanto riguarda l’utilizzo dell’ETFE sui pannelli semi-flessibili vi rimando al seguente link http://www.flysolartechsolutions.com/it/...o-in-etfe/


Capitolo 4
Installazione serie o parallelo?

Domanda classica, e risposta semplice, parallelo in caso di possibili ombreggianti anche solo parziali . Se si tratta di pannelli compatibili la soluzione migliore e’ l’installazione in paralllelo dei due o più pannelli con l’inserimento dei diodi Schottky. Ho trovato questo video molto carino (che mi permette di saltare una lunga spiegazione) che spiega in poche parole il perché’ e’ preferibile l’installazione in parallelo invece che in serie .
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Capitolo 5
PWM o MPPT
MPPT e PWM sono le due principali tipologie di regolatori di carica utilizzati nel settore fotovoltaico per la gestione della carica delle batterie connesse al sistema fotovoltaico e nell’ideazione di un impianto stand-alone (ovvero non allacciato alla rete elettrica), la giusta scelta del metodo di ricarica e del relativo regolatore è una componente fondamentale per una progettazione intelligente e consapevole del proprio impianto fotovoltaico.

Il nostro confronto non può però iniziare senza le dovute presentazioni delle due distinte tipologie di regolatore.
Seguendo un ordine cronologico ha senso quindi introdurre per prima la tecnologia PWM (acronimo del termine inglese Pulse Width Modulation), introdotta sul mercato quando ancora l’interesse per il fotovoltaico era rivolto unicamente ad applicazioni ad isola e stand alone.
In questo settore infatti i moduli fotovoltaici “classici” prevedono una struttura a 36 celle con una tensione a circuito aperto pari a circa 18/20V pensati per la ricarica delle tipiche batterie a 12V anche in condizioni di surriscaldamento del pannello, a seguito del quale può infatti verificarsi un calo del voltaggio in uscita dal modulo stesso.
Proprio per il fatto che i normali moduli fotovoltaici erogano corrente ad una tensione normalmente più alta di quella a cui operano i sistemi di immagazzinamento, il principio di funzionamento dei regolatori PWM può essere immaginato come uno switch che opera una rapidissima serie di connessioni e disconnessioni tra pannello e batteria in modo tale da proteggere e controllare il voltaggio della batteria dal momento che questa non è mai connessa per eccessivi periodi di tempo al pannello.
A livello pratico quindi durante la fase di carica (presumiamo infatti di partire con la batteria scarica) il voltaggio del pannello viene ridotto, in base dal lasso di tempo di chiusura e apertura dello switch del regolatore PWM, in modo tale che questi pareggi all’incirca quello della batteria. Man mano che la batteria si carica, anche il voltaggio di ricarica continua ad aumentare. Quando infine viene raggiunta la soglia di assorbimento del voltaggio della batteria, per proteggere la stessa da problemi di over-charge, lo switch del regolatore viene costantemente aperto e chiuso. Proprio da questo meccanismo prende infatti il nome la classe di regolatori PWM.
Questo meccanismo rende chiari diversi aspetti, ovvero: i regolatori PWM sono dei semplici switch e NON dei convertitori di corrente “DC to DC” in quanto per proteggere il sistema di immagazzinamento, sono costretti a rinunciare a parte della potenza addizionale che il pannello sarebbe in grado di generare poiché non possono convertirla in ampere al corretto voltaggio. D’altro canto però, bisogna tenere conto del fatto che essendo questa la tecnologia più vecchia, i regolatori PWM sono generalmente più economici ed affidabili, soprattutto a livello di complessità dell’elettronica interna, della controparte MPPT.

Cambiando quindi “sponda”, arriviamo a parlare proprio della più recente tra le due tecnologie di ricarica all’interno del settore fotovoltaico, introdotta nel periodo in cui il settore fotovoltaico iniziava a prendere piede anche in sistemi di raccolta connessi alla rete elettrica nazionale.
Qui però lo standard di pannello cambia, e dai moduli a 30/36 celle si passa a moduli da 60 o più celle, con tensioni a circuito aperto superiori (anche di molto) ai 30V. Avendo a che fare con questi pannelli ma utilizzando sempre delle comuni batterie a 12V, appare fin da subito molto chiaro che l’uso di un regolatore PWM sprecherebbe come minimo metà della potenza erogabile dal pannello al suo voltaggio di operatività.
Si rende quindi necessario un meccanismo di raccolta dell’energia più complesso, che tenga in considerazione tutte le caratteristiche elettriche del sistema: dal pannello alle batterie.
Queste caratteristiche e le loro correlazioni posso essere facilmente comprese mediante l’utilizzo di grafici che descrivono la legge di Ohm P=V*I su un piano cartesiano Voltaggio(Vx)/Corrente(Ay), nei quali la potenza del pannello si esprime sotto forma di curva:
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Ad esso si abbina poi un secondo grafico posto su un piano cartesiano Potenza(W)/Voltaggio(V) sempre osservante la legge di Ohm P=V*I e dedotto per derivazione inversa del primo (di cui rappresenta quindi la pendenza, che altro non è che la rappresentazione grafica del concetto di derivata), che in unione ad esso ci permette di capire in quali condizioni possiamo ottenere la maggiore quantità possibile di energia dal pannello ad un dato voltaggio operativo, ovvero l’MPP (dall’inglese Maximum Power Point).
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L’individuazione del Punto di Massima Potenza all’interno di questo grafico avviene tra due estremi: il caso in cui il pannello non produce energia poiché cortocircuitato (0*I=0) e il caso in cui non vi è nessun carico applicato al pannello (V*0=0). All’interno di questo range si può individuare un’area sottesa alla curva di potenza del pannello, che raggiunge la sua area massima proprio quando l’MPP incontra la curva di potenza:
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Tralasciando ora ulteriori considerazioni matematiche o geometriche sull’individuazione di tale punto, possiamo affermare che la peculiarità di un regolatore MPPT stia proprio nella sua capacità di individuare amperaggio e voltaggio di funzionamento del pannello e convertirli nell’amperaggio e voltaggio di ricarica della batteria, capacità che fa di questi apparecchi dei veri e propri convertitori di corrente.
Nell’atto pratico può essere d’aiuto un esempio del genere: Ipotizzando una corrente di pannello pari a 3A, con un regolatore PWM tradizionale tale corrente (già tarata dal regolatore per un sistema di carica a 12V) verrebbe direttamente trasferita alla batteria.
Un regolatore MPPT analizza invece la potenza generata dal pannello (P = V x I, come detto prima), e ne considera quindi anche la tensione: se quindi supponiamo che tale tensione sia in quel momento pari a 17V, la potenza erogata dal pannello è 17V x 3A= 51W.
Questo significa che se la tensione di carica della batteria è di 13V, considerando la massima potenza di 51W, la corrente di carica che verrà trasmessa alla batteria, è 51W/13V= 3,9A, pari ad un bel 30% in più di quanto non riesca a portare il regolatore PWM.
Un'altra caratteristica notevole della tecnologia MPPT è la sua ampia intercompatibilità: ovvero è possibile utilizzare pannelli progettati per lavorare ad alte tensioni anche per ricaricare sistemi di immagazzinamento che lavorano a voltaggi significativamente inferiori. Questo a sua volta porta ad un altro vantaggio: una minore perdita di potenza lungo i cavi. Utilizzando infatti pannelli ad alto voltaggio, pur considerando grandi metrature di cavo dal pannello al regolatore, la perdita di potenza su voltaggi così alti (36, 48 o più Volt) è irrisoria rispetto a quella che si avrebbe su sistemi a 12V.
Data la loro avanzata tecnologia, è opportuno notare che generalmente i regolatori MPPT dispongono di maggiori e più avanzate funzioni di controllo del processo di carica: spesso infatti sono dotati di sistemi che tramite la disconnessione tra pannello e batterie, prevengono l’inversione del flusso di corrente, un fenomeno che può avvenire nelle ore notturne quando il pannello non produce elettricità.
A fronte di tutte queste peculiarità non possono però mancare anche degli “svantaggi”, che non fanno dei regolatori MPPT l’unica scelta possibile quando si cerca un regolatore di corrente per il fotovoltaico.
Innanzitutto c’è il fattore prettamente economico: tutta la tecnologia incorporata nei regolatori MPPT ne fa spesso levitare i prezzi anche del doppio, se non di più, rispetto alla controparte PWM a parità di amperaggio erogabile, un aspetto questo non indifferente per chi ha in mente impianti di modeste dimensioni e che quindi potrebbe decidere di investire di più sul pannello che non sul regolatore.