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Efficienza energetica e centrale fotovoltaica
L'efficienza energetica di una centrale fotovoltaica in ambiente mediterraneo: un caso di studio
Pier Luca Maria Buonomo, Roberto Ricciu, Maria Lucrezia Salis, Costantino Carlo Mastino, Andrea Frattolillo, Roberto Baccoli, Giorgio Popolano, Università di Cagliari - Università di Cagliari
Questo lavoro studia una centrale fotovoltaica nel centro Italia. Gli autori hanno valutato quali sono i fattori responsabili delle maggiori perdite di rendimento della centrale fotovoltaica. In particolare per il contesto ambientale e per quanto incidono dal punto di vista energetico globale.
I principali coefficienti di efficienza adimensionale (kWh/kWp) sono stati valutati e confrontati con gli stessi coefficienti adimensionali di altri impianti ubicati in climi differenti e viene presentato quanto vale l'ammortamento economico dell'impianto.
Il primo grande evento internazionale sulla sostenibilità fu la conferenza di Stoccolma del 1972 indetta dall'ONU, che pose l'attenzione sulla salvaguardia delle risorse naturali del pianeta. Dopo quasi mezzo secolo il concetto di sostenibilità si è evoluto fino alla recente agenda ONU 2030 per lo sviluppo sostenibile suddivisa in 17 punti (obiettivi).
Tra questi il punto 7 sull'energia pulita e accessibile e il punto 13 sul contrasto al cambiamento climatico, sono presi come riferimento per lo scritto in esame. Dagli anni '70 sono state sviluppate una serie di tecnologie cosiddette rinnovabili che sfruttano l'energia solare, del vento, geotermica e altre meno diffuse [1].
Dall'inizio del millennio si è investito molto sulle tipologie di trasformazione da energia solare in energia elettrica e termica attraverso l'uso di pannelli. L'esperienza di questo ventennio ha portato a realizzare centrali fotovoltaiche (FV da ora in poi) in tutto il globo.
In un primo periodo le centrali FV erano sovvenzionate dagli stati, mentre attualmente, sono finanziate da investitori privati. Scopo degli investitori è rientrare dei costi di investimento quanto prima possibile, per poi ottenere un guadagno in termini di vendita dell'energia.
I principali fattori ambientali che caratterizzano la conversione di energia solare in energia elettrica sono in modo proporzionale l'irraggiamento solare, in modo inversamente proporzionale la percentuale di particelle in sospensione nell'ambiente e le temperature di esercizio del pannello e dell'inverter.
Quindi, come riportato in tabella 1 non c'è una relazione diretta tra coefficiente di irraggiamento del sito e rendimento del pannello.
Si può genericamente osservare che le zone con maggiore irraggiamento solare sono spesso caratterizzate da elevate temperature dell'aria e con forti venti che trascinano particelle (sabbia desertica) che depositandosi sui pannelli li rendono meno efficienti [2,3].
Gli autori hanno esaminato le prestazioni di una centrale fotovoltaica connessa alla rete e installata in un contesto territoriale con irraggiamento medio annuale sull'orizzontale di 1950 kWh/m2[5], clima temperato, e ventilazione media annua tra i 5-6 m/s [6] per definirne il rendimento da cui dipendono i parametri di investimento economico.
Descrizione generale della centrale FV oggetto di studio
La centrale fotovoltaica che è stata oggetto dello studio si trova ubicata in Sardegna, esattamente nella provincia di Oristano con coordinate 40°2'56" Nord, 8°34'38" Est, e installata a circa 51 m s.l.m.m. a cui corrispondono delle condizioni climatiche note.
La zona in cui insiste l'impianto FV, si trova nelle campagne a sud di un piccolo paese composto da meno di duemila persone e la zona rurale limitrofa è composta prevalentemente da appezzamenti adibiti a pascoli o varie coltivazione.
La morfologia del terreno è pressoché pianeggiante intervallata da alcune piccole zone collinari e non vi è la presenza di importanti promontori nelle vicinanze che condizionano l'ombreggiamento alla centrale.
Come da documenti presenti nel sito internet del GSE www.GSE.it [7], l'impianto occupa una superficie di 64 ha, di cui quasi 31 di questi occupati da serre agricole, le quali sono parzialmente coperte da pannelli fotovoltaici per una superficie captante pari a 17 ha. I 64 ha della superficie occupata dall'impianto in oggetto è inserita in un'area favorevole da un punto di vista produttivo della Sardegna per l'irraggiamento solare e per quanto riguarda la vicinanza alla centrale elettrica di trasformazione, ma bisogna tenere conto anche della scarsa ventilazione estiva, visto che la centrale ricade in una zona posta sottovento rispetto ai vicini promontori.
In particolare nella figura n°2 sono riportate oltre la radiazione sul piano orizzontale, la variazione della radiazione media mensile sul piano orizzontale (curva blu) e l'inclinazione ottimale dei pannelli captanti di 34° rispetto al piano orizzontale (curva nera).
La dimensione della centrale in termini di kilo Watt di Picco (kWp) installati è pari a 25.674,56kWp e pertanto è da classificarsi secondo L'STMG - Soluzione Tecnica Minima Generale, contemplata nella norma ENEL DK 5310 [8] - e il Testo Unico della Produzione Elettrica, o anche per la classificazione GSE (Gestore Servizi Elettrici) [7] secondo il capitolo 1 colla 1 del Quarto Conto Energia (D.M. n. 238 25 maggio 2011- Incentivazione della produzione di energia elettrica da impianti solari fotovoltaici-), come "grande impianto" e pertanto qui definita: centrale elettrica fotovoltaica.
La centrale in oggetto, secondo l'ultimo Rapporto Statistico del 2014 sul solare fotovoltaico del GSE [7], vale poco meno del 20% di tutta la potenza installata della provincia di Oristano che a sua volta vale circa il 20% della potenza installata per l'intera Regione Sardegna.
Si evidenzia quindi una notevole importanza strategica della produzione di energia elettrica nel territorio considerato. Dai dati riportati e disponibili sul sito internet del gestore dei servizi elettrici(GSE), la centrale in oggetto è suddivisa in tre impianti più piccoli e indipendenti tra di loro, aventi una produzione di circa 9000 kWp e poco più per i primi due impianti e di oltre 7000 kWp per il più piccolo dei tre
Caratteristiche tecniche
I principali dati tecnici della centrale fotovoltaica sono di seguito descritti e tabellati. Tra la componentistica tecnologica della centrale fotovoltaica, hanno particolare rilevanza, sia per il gran numero in cui sono presenti e sia per le loro specifiche tecniche, i pannelli fotovoltaici installati.
Le caratteristiche tecniche di cui fanno parte questi elementi sono riportate nei "datasheet" [7] relativi, facilmente visionabili nel sito del gestore del servizio elettrico. La tipologia di pannello impiegato per creare la superficie captante l'irraggiamento solare è il WSPV240M della casa costruttrice Winsun New Energy Co.,Ltd.
Ha una capacità di produzione in condizioni ottimali pari a 240 W e le sue dimensioni d'ingombro sono di 990 X 1650 mm.. Rimanendo nell'ambito delle caratteristiche tecniche, una caratteristica da non tralasciare nell'elaborazione dei dati di produttività della centrale è rappresentata dal diagramma Tensione-Corrente.
Di seguito si riporta un diagramma Tensione- Corrente con la media su tre tipologie di pannelli sottoposti a test per una irradiazione standard di 1000 W/m2. Per lo sviluppo del seguente diagramma si sono applicate le seguenti norme:
- Norma CEI EN 60891: Procedure per correzioni di temperatura e irraggiamento alle caratteristiche I-V misurate di dispositivi fotovoltaici; - Norma CEI EN 60904-1: Dispositivi fotovoltaici Parte 1: Misura delle caratteristiche fotovoltaiche corrente-tensione; - Norma CEI EN 60904-2: Dispositivi fotovoltaici Parte 2: PrescriNorma CEI EN 60904-3: Dispositivi fotovoltaici Parte 3: Principi di misura per dispositivi solari fotovoltaici (FV) per uso terrestre, con spettro solare di riferimento.
Si ringrazia il Laboratorio di Energetica e quello di Efficienza Energetica La BEE del Dipartimento di Ingegneria Civile Ambientale e Architettura dell'Università di Cagliari per i test effettuati.
Analisi della produttività
Per analizzare la produttività della centrale in maniera accurata e approfondita, si sono confrontati i dati storici in nostro possesso, con le modellazioni matematiche più diffuse e maggiormente affidabili, tra queste ricordiamo:
- Il modello secondo la norma CEI 82-25 [9];
- Il modello standard SOLEREC [10].
È importante sottolineare come esistano alcune difformità tecniche scaturite durante la fase di sopralluogo:
- La potenza installata (kWp) non coincide con quanto dichiarato e accompagnata da una ulteriore differenza con quella effettivamente prodotta. La differenza tra i kWp dichiarati e quelli installati è del 2,7%; mentre la differenza tra i kWp dichiarati e quelli produttivi è quasi del 7,9%;
- L'inclinazione dei pannelli rispetto al piano di campagna non è di 26° come riportato nella documentazione in ns. possesso ma di circa 31° sessagesimali.
- Esiste invece piena coincidenza tra i dati di potenza forniti sulla produttività dei pannelli solari e i test in laboratorio.
Metodo e risultati del modello secondo la norma CEI 82-25
Per l'utilizzo del metodo bisogna partire dai dati presenti nelle mappe isoradiattive per l'area in cui insiste la centrale oggetto dell'articolo (40°2'56" Nord, 8°34'38" Est, Quota: 51 m s.l.m.m), con orientazione verso SUD e inclinazione di 31° sull'orizzontale dall'analisi dei dati si evince che il mese più produttivo è luglio con circa 240 kWh/m2/mese mentre quello meno produttivo risulta essere il mese di dicembre con circa 100 kWh/m2/mese, a seguito del quale la produzione cresce fino al mese di luglio.
Questo ha permesso di valutare con maggiore precisione le potenzialità della centrale mettendo in evidenza alcune differenze, tra cui la differente inclinazione, di circa 5°, sull'orizzonte dei pannelli rispetto al progetto delle serre depositato presso il GSE. Inoltre insieme ai dati sopraelencati, si è tenuto conto di diversi parametri di scostamento delle condizioni di funzionamento.
Utilizzando i dati in nostro possesso e rapportandoli all'analisi dello schema dell'impianto si consideri un rendimento medio totale pari a circa il 10%.
Da questo si è determinata la produzione di energia totale che è pari a circa 34,6 MWh. L'analisi ha portato inoltre alla valutazione dell'incertezza che è pari a ±2,5%, ma non si è tenuto conto di quest'ultimo dato visto e considerato che le variazioni intrinseche alla gestione della produzione possono essere maggiori anche di un ordine di grandezza[9].
In allegato, è possibile scaricare il pdf completo dell'articolo.
Tra questi il punto 7 sull'energia pulita e accessibile e il punto 13 sul contrasto al cambiamento climatico, sono presi come riferimento per lo scritto in esame. Dagli anni '70 sono state sviluppate una serie di tecnologie cosiddette rinnovabili che sfruttano l'energia solare, del vento, geotermica e altre meno diffuse [1].
Dall'inizio del millennio si è investito molto sulle tipologie di trasformazione da energia solare in energia elettrica e termica attraverso l'uso di pannelli. L'esperienza di questo ventennio ha portato a realizzare centrali fotovoltaiche (FV da ora in poi) in tutto il globo.
In un primo periodo le centrali FV erano sovvenzionate dagli stati, mentre attualmente, sono finanziate da investitori privati. Scopo degli investitori è rientrare dei costi di investimento quanto prima possibile, per poi ottenere un guadagno in termini di vendita dell'energia.
I principali fattori ambientali che caratterizzano la conversione di energia solare in energia elettrica sono in modo proporzionale l'irraggiamento solare, in modo inversamente proporzionale la percentuale di particelle in sospensione nell'ambiente e le temperature di esercizio del pannello e dell'inverter.
Quindi, come riportato in tabella 1 non c'è una relazione diretta tra coefficiente di irraggiamento del sito e rendimento del pannello.
Si può genericamente osservare che le zone con maggiore irraggiamento solare sono spesso caratterizzate da elevate temperature dell'aria e con forti venti che trascinano particelle (sabbia desertica) che depositandosi sui pannelli li rendono meno efficienti [2,3].
Gli autori hanno esaminato le prestazioni di una centrale fotovoltaica connessa alla rete e installata in un contesto territoriale con irraggiamento medio annuale sull'orizzontale di 1950 kWh/m2[5], clima temperato, e ventilazione media annua tra i 5-6 m/s [6] per definirne il rendimento da cui dipendono i parametri di investimento economico.
Descrizione generale della centrale FV oggetto di studio
La centrale fotovoltaica che è stata oggetto dello studio si trova ubicata in Sardegna, esattamente nella provincia di Oristano con coordinate 40°2'56" Nord, 8°34'38" Est, e installata a circa 51 m s.l.m.m. a cui corrispondono delle condizioni climatiche note.
La zona in cui insiste l'impianto FV, si trova nelle campagne a sud di un piccolo paese composto da meno di duemila persone e la zona rurale limitrofa è composta prevalentemente da appezzamenti adibiti a pascoli o varie coltivazione.
La morfologia del terreno è pressoché pianeggiante intervallata da alcune piccole zone collinari e non vi è la presenza di importanti promontori nelle vicinanze che condizionano l'ombreggiamento alla centrale.
Come da documenti presenti nel sito internet del GSE www.GSE.it [7], l'impianto occupa una superficie di 64 ha, di cui quasi 31 di questi occupati da serre agricole, le quali sono parzialmente coperte da pannelli fotovoltaici per una superficie captante pari a 17 ha. I 64 ha della superficie occupata dall'impianto in oggetto è inserita in un'area favorevole da un punto di vista produttivo della Sardegna per l'irraggiamento solare e per quanto riguarda la vicinanza alla centrale elettrica di trasformazione, ma bisogna tenere conto anche della scarsa ventilazione estiva, visto che la centrale ricade in una zona posta sottovento rispetto ai vicini promontori.
In particolare nella figura n°2 sono riportate oltre la radiazione sul piano orizzontale, la variazione della radiazione media mensile sul piano orizzontale (curva blu) e l'inclinazione ottimale dei pannelli captanti di 34° rispetto al piano orizzontale (curva nera).
La dimensione della centrale in termini di kilo Watt di Picco (kWp) installati è pari a 25.674,56kWp e pertanto è da classificarsi secondo L'STMG - Soluzione Tecnica Minima Generale, contemplata nella norma ENEL DK 5310 [8] - e il Testo Unico della Produzione Elettrica, o anche per la classificazione GSE (Gestore Servizi Elettrici) [7] secondo il capitolo 1 colla 1 del Quarto Conto Energia (D.M. n. 238 25 maggio 2011- Incentivazione della produzione di energia elettrica da impianti solari fotovoltaici-), come "grande impianto" e pertanto qui definita: centrale elettrica fotovoltaica.
La centrale in oggetto, secondo l'ultimo Rapporto Statistico del 2014 sul solare fotovoltaico del GSE [7], vale poco meno del 20% di tutta la potenza installata della provincia di Oristano che a sua volta vale circa il 20% della potenza installata per l'intera Regione Sardegna.
Si evidenzia quindi una notevole importanza strategica della produzione di energia elettrica nel territorio considerato. Dai dati riportati e disponibili sul sito internet del gestore dei servizi elettrici(GSE), la centrale in oggetto è suddivisa in tre impianti più piccoli e indipendenti tra di loro, aventi una produzione di circa 9000 kWp e poco più per i primi due impianti e di oltre 7000 kWp per il più piccolo dei tre
Caratteristiche tecniche
I principali dati tecnici della centrale fotovoltaica sono di seguito descritti e tabellati. Tra la componentistica tecnologica della centrale fotovoltaica, hanno particolare rilevanza, sia per il gran numero in cui sono presenti e sia per le loro specifiche tecniche, i pannelli fotovoltaici installati.
Le caratteristiche tecniche di cui fanno parte questi elementi sono riportate nei "datasheet" [7] relativi, facilmente visionabili nel sito del gestore del servizio elettrico. La tipologia di pannello impiegato per creare la superficie captante l'irraggiamento solare è il WSPV240M della casa costruttrice Winsun New Energy Co.,Ltd.
Ha una capacità di produzione in condizioni ottimali pari a 240 W e le sue dimensioni d'ingombro sono di 990 X 1650 mm.. Rimanendo nell'ambito delle caratteristiche tecniche, una caratteristica da non tralasciare nell'elaborazione dei dati di produttività della centrale è rappresentata dal diagramma Tensione-Corrente.
Di seguito si riporta un diagramma Tensione- Corrente con la media su tre tipologie di pannelli sottoposti a test per una irradiazione standard di 1000 W/m2. Per lo sviluppo del seguente diagramma si sono applicate le seguenti norme:
- Norma CEI EN 60891: Procedure per correzioni di temperatura e irraggiamento alle caratteristiche I-V misurate di dispositivi fotovoltaici; - Norma CEI EN 60904-1: Dispositivi fotovoltaici Parte 1: Misura delle caratteristiche fotovoltaiche corrente-tensione; - Norma CEI EN 60904-2: Dispositivi fotovoltaici Parte 2: PrescriNorma CEI EN 60904-3: Dispositivi fotovoltaici Parte 3: Principi di misura per dispositivi solari fotovoltaici (FV) per uso terrestre, con spettro solare di riferimento.
Si ringrazia il Laboratorio di Energetica e quello di Efficienza Energetica La BEE del Dipartimento di Ingegneria Civile Ambientale e Architettura dell'Università di Cagliari per i test effettuati.
Analisi della produttività
Per analizzare la produttività della centrale in maniera accurata e approfondita, si sono confrontati i dati storici in nostro possesso, con le modellazioni matematiche più diffuse e maggiormente affidabili, tra queste ricordiamo:
- Il modello secondo la norma CEI 82-25 [9];
- Il modello standard SOLEREC [10].
È importante sottolineare come esistano alcune difformità tecniche scaturite durante la fase di sopralluogo:
- La potenza installata (kWp) non coincide con quanto dichiarato e accompagnata da una ulteriore differenza con quella effettivamente prodotta. La differenza tra i kWp dichiarati e quelli installati è del 2,7%; mentre la differenza tra i kWp dichiarati e quelli produttivi è quasi del 7,9%;
- L'inclinazione dei pannelli rispetto al piano di campagna non è di 26° come riportato nella documentazione in ns. possesso ma di circa 31° sessagesimali.
- Esiste invece piena coincidenza tra i dati di potenza forniti sulla produttività dei pannelli solari e i test in laboratorio.
Metodo e risultati del modello secondo la norma CEI 82-25
Per l'utilizzo del metodo bisogna partire dai dati presenti nelle mappe isoradiattive per l'area in cui insiste la centrale oggetto dell'articolo (40°2'56" Nord, 8°34'38" Est, Quota: 51 m s.l.m.m), con orientazione verso SUD e inclinazione di 31° sull'orizzontale dall'analisi dei dati si evince che il mese più produttivo è luglio con circa 240 kWh/m2/mese mentre quello meno produttivo risulta essere il mese di dicembre con circa 100 kWh/m2/mese, a seguito del quale la produzione cresce fino al mese di luglio.
Questo ha permesso di valutare con maggiore precisione le potenzialità della centrale mettendo in evidenza alcune differenze, tra cui la differente inclinazione, di circa 5°, sull'orizzonte dei pannelli rispetto al progetto delle serre depositato presso il GSE. Inoltre insieme ai dati sopraelencati, si è tenuto conto di diversi parametri di scostamento delle condizioni di funzionamento.
Utilizzando i dati in nostro possesso e rapportandoli all'analisi dello schema dell'impianto si consideri un rendimento medio totale pari a circa il 10%.
Da questo si è determinata la produzione di energia totale che è pari a circa 34,6 MWh. L'analisi ha portato inoltre alla valutazione dell'incertezza che è pari a ±2,5%, ma non si è tenuto conto di quest'ultimo dato visto e considerato che le variazioni intrinseche alla gestione della produzione possono essere maggiori anche di un ordine di grandezza[9].
In allegato, è possibile scaricare il pdf completo dell'articolo.
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Fonte: La Termotecnica novembre 2023
