3.6.2 Sistemi fotovoltaici autonomi

Gli impianti fotovoltaici autonomi sono solitamente inverter di potenza su scala industriale. Generalmente includono moduli di ricarica solare, batterie di accumulo fotovoltaico e controller o regolatori, come mostrato nella Figura 3.15. Gli impianti fotovoltaici autonomi installati a terra o sul tetto richiedono una struttura di montaggio e, se si desidera l'alimentazione a corrente alternata, è necessario anche un inverter. In molti casi impianti fotovoltaici autonomi Le batterie vengono utilizzate per l’accumulo di energia, in quanto possono rappresentare fino al 40% del costo totale dell’impianto fotovoltaico autonomo durante la sua vita utile [33].

INFORMAZIONI SUI SISTEMI FOTOVOLTAICI AUTONOMI: Queste batterie causano perdite nel sistema fotovoltaico a causa della limitata disponibilità di tempo ed energia per ricaricare la batteria, oltre a una manutenzione inadeguata della stessa. Pertanto, viene utilizzato un regolatore di carica per controllare il sistema e prevenire la sovraccarica e la sovrascarica della batteria. La sovraccarica riduce la durata della batteria e può causare la formazione di gas, mentre la sovrascarica può portare a solfatazione e stratificazione, con conseguente riduzione dell'efficienza e della durata della batteria [ 34-37 ].

Le batterie sono spesso utilizzate nei sistemi fotovoltaici autonomi per immagazzinare l'energia generata dal generatore fotovoltaico durante il giorno e per alimentare carichi elettrici secondo necessità (durante la notte o in condizioni meteorologiche nuvolose). Inoltre, le batterie sono necessarie nei sistemi di inseguimento per funzionare al MPP al fine di fornire carichi elettrici con tensioni costanti. Quasi la maggior parte delle batterie utilizzate nei sistemi fotovoltaici autonomi sono batterie al piombo-acido a ciclo profondo [38]. Queste batterie hanno piastre di piombo più spesse che le rendono tolleranti alle scariche profonde. Più spesse sono le piastre di piombo, maggiore è la durata della batteria. Più pesante è la batteria per una data dimensione dell'array, più spesse sono le piastre e migliore sarà la tolleranza della batteria alle scariche profonde [39].

Όλες οι μπαταρίες βαθιάς κύλισης βαθμολογούνται σε χωρητικότητα αμπέρ-ώρας (AH), ποσότητα της ποσότητας χρησιμοποιήσιμης ενέργειας που μπορεί να αποθηκευτεί στην ονομαστική τάση [ 40 ]. Ένα καλό ποσοστό φόρτισης είναι περίπου το 10% της συνολικής χωρητικότητας της μπαταρίας ανά ώρα. Αυτό θα μειώσει τις απώλειες ηλεκτρολυτών και τη ζημιά στις πλάκες [ 38 ]. Ένα φωτοβολταϊκό σύστημα μπορεί να χρειάζεται να έχει μέγεθος για να αποθηκεύει επαρκή ποσότητα ενέργειας στις μπαταρίες για να καλύψει τη ζήτηση ισχύος κατά τη διάρκεια πολλών ημερών θολών καιρικών συνθηκών, γνωστών ως “ημέρες αυτονομίας”. Το Ινστιτούτο Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών (IEEE) (IEEE Std 1013-1990) [ 41 ], για την επιλογή, φόρτιση και δοκιμή σε Fotovoltaico autonomo συστήματα (IEEE Std 1361-2003) [ 42]] και για την εγκατάσταση και συντήρηση τους (IEEE Std 937-2007) [ 43 ].

Le batterie al nichel-cadmio sono utilizzate anche per sistemi fotovoltaici autonomi, ma sono spesso costose e “possono presentare problemi di compatibilità di tensione con alcuni inverter e caricabatterie” [ 44 ]. Tuttavia, il loro principale vantaggio è che non sono influenzate dalla temperatura come altri tipi di batterie, quindi sono principalmente consigliate per applicazioni industriali o commerciali in luoghi freddi. L'IEEE ha anche sviluppato alcune linee guida per l'installazione e la manutenzione (IEEE Std 1145-1999) [ 45 ].

INFORMAZIONI SUI SISTEMI FOTOVOLTAICI AUTONOMI: Per prolungare la durata della batteria e garantire un funzionamento efficiente del sistema, è necessario un regolatore di carica che regoli il flusso di elettricità dai moduli fotovoltaici alla batteria e al carico. Il regolatore mantiene la batteria completamente carica senza sovraccaricarla. Molti regolatori sono in grado di rilevare l'eccesso di elettricità prelevata dalle batterie al carico e di interromperne il flusso finché non viene ripristinata una carica sufficiente nelle batterie. Quest'ultimo può prolungare significativamente la durata della batteria. Tuttavia, i regolatori in un sistema fotovoltaico stand-alone sono dispositivi più complessi che dipendono dallo stato di carica della batteria, che a sua volta dipende da molti fattori ed è difficile da misurare. Il regolatore deve essere dimensionato per gestire la corrente massima generata. Alcune caratteristiche da considerare prima di scegliere un regolatore includono punti di regolazione regolabili come disconnessioni per alta e bassa tensione, compensazione della temperatura, avviso di bassa tensione e protezione da corrente inversa. Inoltre, il regolatore deve garantire che non vi sia alcun flusso di corrente dalla batteria al generatore durante la notte.

A Manuale pratico del fotovoltaicoLa radiazione solare è considerata il combustibile del fotovoltaico e le sue caratteristiche costituiscono la base della progettazione del sistema, dalla costruzione dei pannelli all'affidabilità della fornitura di energia elettrica da parte di sistemi fotovoltaici autonomi. La comprensione della radiazione solare è probabilmente la parte più antica della scienza fisica, ma solo di recente la natura statistica dell'energia solare è stata pienamente compresa. Sono ora disponibili numerosi modelli computerizzati sofisticati, descritti in dettaglio nella Parte I, che riassume anche iaspetti rilevanti della radiazione solare come fonte di energia ed esamina le principali caratteristiche e limitazioni degli strumenti informatici disponibili.

24.7 Sistema fotovoltaico autonomo

Il principale vantaggio degli impianti fotovoltaici è la loro flessibilità, che consente di realizzarli anche in aree remote dove la connessione alla rete elettrica è impossibile o troppo costosa. Tali impianti sono chiamati impianti fotovoltaici stand-alone e sono descritti in questa sezione.

INFORMAZIONI SUI SISTEMI FOTOVOLTAICI AUTONOMI: Tutte le batterie a ciclo profondo sono classificate in capacità AED, una misura della quantità di energia utilizzabile che può essere immagazzinata alla tensione nominale. Una buona velocità di carica è pari a circa il 10% della capacità totale della batteria all'ora. Ciò ridurrà la perdita di elettrolita e i danni alle piastre. Un impianto fotovoltaico potrebbe dover essere dimensionato per immagazzinare energia sufficiente nelle batterie per soddisfare il fabbisogno energetico durante diversi giorni di tempo nuvoloso, noti come "giorni di standby". L'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) (IEEE Std 1013-1990), per la selezione, la carica e il collaudo di impianti fotovoltaici autonomi (IEEE Std 1361-2003) e per la loro installazione e manutenzione (IEEE Std 937-2007).

Anche le batterie al nichel-cadmio sono utilizzate per gli impianti fotovoltaici, ma sono spesso costose. Il loro principale vantaggio, tuttavia, è che non sono influenzate dalla temperatura come altri tipi di batterie, quindi sono principalmente consigliate per applicazioni industriali o commerciali in luoghi freddi. L'IEEE ha anche sviluppato alcune linee guida per l'installazione e la manutenzione (IEEE Std 1145-1999).

Per prolungare la durata della batteria e garantire un funzionamento efficiente del sistema, è necessario un regolatore di carica che regoli il flusso di elettricità dai moduli fotovoltaici alla batteria e al carico. Il regolatore mantiene la batteria completamente carica senza sovraccaricarla. Molti regolatori sono in grado di rilevare l'eccesso di elettricità prelevata dalle batterie al carico e di interromperne il flusso finché non viene ripristinata una carica sufficiente nelle batterie. Quest'ultimo può prolungare significativamente la durata della batteria. Tuttavia, i regolatori in un sistema fotovoltaico stand-alone sono dispositivi più complessi che dipendono dallo stato di carica della batteria, che a sua volta dipende da molti fattori ed è difficile da misurare. Il regolatore deve essere dimensionato per gestire la corrente massima generata. Alcune caratteristiche da considerare prima di scegliere un regolatore includono punti di regolazione regolabili come disconnessioni per alta e bassa tensione, compensazione della temperatura, avviso di bassa tensione e protezione da corrente inversa. Inoltre, il regolatore deve garantire che non vi sia alcun flusso di corrente dalla batteria al generatore durante la notte.

24.7.1 Convertitori di potenza

Per le applicazioni autonome è possibile prendere in considerazione più di un pannello solare, oltre al pacco batteria. Successivamente, occorre prendere in considerazione il convertitore di potenza con ingressi multipli. Uno degli aspetti più importanti di questi convertitori è la gestione dell'alimentazione, ovvero determinare quando utilizzare ciascuna fonte per ottenere il funzionamento ottimale del sistema.

3.1 Introduzione

I progettisti di impianti fotovoltaici dovrebbero solitamente mirare a ottenere il massimo ritorno economico da qualsiasi investimento per l'intera durata dell'impianto. Un modo per farlo è cercare di aumentare la densità di energia in ingresso inclinando i pannelli solari verso il Sole. Tuttavia, l'inclinazione ottimale per aumentare la densità di energia giornaliera varia a seconda del periodo dell'anno. Anche il valore dell'energia raccolta per l'utente varia nel tempo, in particolare per gli impianti fotovoltaici autonomi. Ad esempio, se l'elettricità deve essere utilizzata per l'illuminazione, il periodo notturno in cui è richiesta l'illuminazione elettrica varierà nel corso dell'anno. Pertanto, la scelta dell'inclinazione e dell'orientamento ottimali dei collettori richiede un'attenta valutazione. La progettazione dovrebbe anche tenere conto dell'impatto dell'ostruzione del sito sull'efficienza di raccolta. Anche l'ombreggiamento parziale dei pannelli fotovoltaici è indesiderabile. Pertanto, è necessaria una buona comprensione della geometria dei moti solari. L'irradiazione su superfici inclinate può essere calcolata solo se l'irradiazione globale può essere prima scomposta nelle sue componenti di fascio e diffusa su base oraria. Il progettista ha a che fare con un sistema di immissione di energia tridimensionale. Di solito è importante saper mettere in relazione la geometria solare e i flussi energetici.

La necessità di informazioni climatiche basate sui dati di radiazione solare è stata storicamente soddisfatta utilizzando registrazioni di osservazioni da terra. Più recentemente, i dati satellitari sono stati sempre più utilizzati per generare informazioni da terra. I dati satellitari, ad esempio, sono una componente fondamentale del materiale del database di radiazione disponibile per gli utenti di SoDa-IS 2003. Le mappe di radiazione solare ESRA 2000 [1] si basano su una combinazione di dati satellitari e da terra.

La progettazione di impianti fotovoltaici dipende dall'efficace sfruttamento delle informazioni climatiche disponibili nella progettazione dettagliata. Il divario tra i dati che i servizi meteorologici nazionali possono fornire e i dati di cui i progettisti di impianti necessitano è spesso piuttosto ampio. Questa sezione del capitolo esamina alcune delle informazioni attualmente disponibili.metodologie per fornire ai progettisti fotovoltaici le informazioni quantitative necessarie per affrontare vari progetti di progettazione

INFORMAZIONI SUI SISTEMI FOTOVOLTAICI AUTONOMI: Le prestazioni devono essere valutate nel contesto del rischio. Domanda e offerta devono essere combinate con appropriate strategie di accumulo di energia. Ciò attribuisce particolare importanza alla disponibilità di serie temporali di dati sulla radiazione solare, preferibilmente collegate ai dati sulla temperatura. L'escursione termica giornaliera è strettamente correlata alla radiazione orizzontale giornaliera ricevuta. La temperatura media giornaliera è solitamente determinata dalla sorgente d'aria che attraversa lo spazio. L'aria polare può portare basse temperature medie giornaliere in combinazione con grandi apporti di radiazione solare ed è quindi associata a notevoli variazioni di temperatura giornaliere.

16.2.2 Progettazione del dispositivo

Per attenuare le caratteristiche dinamiche dell'energia verde, si studia un sistema di alimentazione fotovoltaica (FV) per convertire l'energia verde variabile in elettricità più stabile e affidabile. Il sistema fotovoltaico è costituito da molti componenti, tra cui moduli fotovoltaici, batteria, regolatore di carica e inverter. È ampiamente utilizzato nei sistemi di comunicazione da molti decenni. Per soddisfare i diversi requisiti energetici dei dispositivi wireless, la maggior parte degli studi sui sistemi fotovoltaici si concentra sulla realizzazione di alimentatori più affidabili e stabili per prevenire interruzioni di corrente e sprechi. Il problema del dimensionamento del sistema fotovoltaico è uno degli aspetti più critici ed è stato ampiamente studiato in letteratura. In [21], un metodo semplice per il dimensionamento di sistemi fotovoltaici autonomi Nel loro lavoro, la probabilità di perdita di carico e il profilo di carico sono stati utilizzati per rappresentare rispettivamente l'affidabilità desiderata e la domanda di traffico. In [22], sono stati proposti tre metodi probabilistici per la classificazione dei sistemi fotovoltaici. Il primo metodo mira a progettare la batteria di backup e di ricarica per supportare un carico costante entro un certo periodo di tempo. Il secondo metodo ha classificato la batteria in base alla probabilità di perdita di carico con una simulazione al computer dettagliata. L'ultimo metodo ha utilizzato la catena di Markov per modellare lo stato di carica della batteria. In [23], il lavoro ha analizzato vari strumenti di scala per un sistema fotovoltaico autonomo e ha proposto un modello di simulazione standardizzato per il problema di scalabilità del fotovoltaico. Inoltre, hanno dimostrato che l'accuratezza del problema di dimensionamento del fotovoltaico dipende da leggi statistiche di base, che non hanno una relazione evidente con la complessità dei modelli utilizzati.

INFORMAZIONI SUI SISTEMI FOTOVOLTAICI AUTONOMI: Sulla base dei risultati degli studi sui sistemi fotovoltaici, sono stati proposti numerosi modelli di ricarica e scarica nelle reti di comunicazione wireless. Il modo più semplice è modellare la batteria/buffer energetico come processi di carica e scarica e utilizzare un framework per rappresentare lo stato attuale della batteria/buffer energetico [19]. Alcuni lavori [9,24] descrivono la capacità del sistema fotovoltaico di utilizzare la raccolta di energia a un tempo fisso o a una velocità di carica fissa per semplificare la complessità del modello di ricarica dell'energia. In [6], il lavoro mirava a creare un BS realisticoModello di consumo energetico con parametri di input specifici. Il laboratorio ha raggruppato le BS in macro-BS e micro-BS. Per i modelli macro-BS, il modello di consumo energetico consiste solo in una parte di scarica di potenza statica. Per le micro-BS, il modello di scarica consiste in parti di consumo energetico statico e dinamico. Basandosi sulle reti WiMAX e WiFi alimentate a energia solare esistenti [25,26], i nostri esperimenti hanno fornito alcuni riferimenti per i modelli di potenza delle BS alimentate a energia solare.