Inverter solari - Conoscenze di base per la progettazione di impianti FV

L’inverter è il cuore di ogni impianto fotovoltaico.

L’inverter è il cuore di ogni impianto fotovoltaico: trasforma la corrente continua dei moduli fotovoltaici in comune corrente alternata di rete e la immette nella rete pubblica. Contemporaneamente, esso controlla e monitora l’intero impianto. Da un lato garantisce che i moduli fotovoltaici funzionino sempre al massimo delle loro prestazioni, in funzione dell’irraggiamento e delle temperatura. Dall’altro monitora costantemente la rete pubblica ed è responsabile per il rispetto di vari criteri di sicurezza.

Sul mercato sono disponibili innumerevoli inverter fotovoltaici, che possono essere classificati sulla base di tre importanti caratteristiche: la potenza, il dimensionamento sul lato CC e la topologia.

1. Potenza
La potenza disponibile parte da due kilowatt e arriva fino all’ordine dei megawatt. Le potenze tipiche ammontano a 5 kW per impianti residenziali su tetto, da 10 a 20 kW per impianti commerciali (ad esempio su capannoni o tetti di fienili), e da 500 a 800 kW per l’impiego in centrali fotovoltaiche.

2. Connessione dei moduli
Durante il dimensionamento sul lato CC, il punto da considerare è la connessione dei moduli fotovoltaici con l’inverter. Qui si distingue fra inverter di stringa, multistringa e centrali, laddove per “stringa” si intende una fila di moduli fotovoltaici collegati in serie. Gli inverter multistringa dispongono di due o più entrate di stringa, con inseguitore MPP (Maximum Power Point) dedicato (v. sotto). Sono raccomandabili soprattutto se il generatore fotovoltaico è composto da numerose superfici parziali o se è parzialmente ombreggiato. Nonostante la loro grande potenza, gli inverter centrali possiedono un unico inseguitore MPP. Essi sono particolarmente idonei per grandi impianti con generatore omogeneo.

3. Topologia
Per quanto riguarda la topologia, si distingue fra inverter monofase e trifase, come anche fra apparecchi con o senza trasformatore. Mentre in impianti di piccole dimensioni vengono solitamente usati inverter monofase, per gli impianti fotovoltaici di grandi dimensioni (in seguito al limite del carico simmetrico fissato a max 4,6 kVA) devono essere usati inverter trifase o gruppi di più inverter monofase. Il trasformatore, invece, consente la separazione galvanica (prescritta in alcuni Paesi) e permette inoltre la messa a terra dei moduli fotovoltaici (necessaria per alcuni tipi di moduli). Se possibile, vengono tuttavia impiegati inverter senza trasformatore, in quanto solitamente sono più piccoli e più leggeri degli apparecchi con trasformatore e dispongono di un maggiore grado di rendimento.

I compiti di un inverter fotovoltaico sono tanto variegati quanto complessi:

1. Trasformazione con basse perdite
Una delle caratteristiche più importanti di un inverter è il suo grado di rendimento. Quest’ultimo indica quale percentuale dell’energia “immessa” sotto forma di corrente continua viene riemessa sotto forma di corrente alternata. Gli apparecchi moderni conseguono un grado di rendimento pari al 98%.

2. Ottimizzazione della potenza
La curva caratteristica dei moduli fotovoltaici dipende fortemente dall’intensità dell’irraggiamento e dalla temperatura dei moduli, quindi da valori che si modificano continuamente nell’arco della giornata. L’inverter deve pertanto trovare e mantenere costantemente il punto di funzionamento ideale sulla curva caratteristica, per poter “tirar fuori” dai moduli solari la potenza maggiore in ogni situazione. Questo punto di funzionamento ottimale si chiama Maximum Power Point (MPP); la ricerca e il mantenimento dell’MPP costituiscono l’inseguimento MPP, estremamente importante per il rendimento energetico di un impianto fotovoltaico.

3. Monitoraggio e protezione
L’inverter monitora da un lato il rendimento dell’impianto FV e segnala la presenza di eventuali anomalie. Dall’altro lato si occupa del monitoraggio della rete di alimentazione alla quale è collegato. Per motivi di sicurezza deve dunque disinserire immediatamente l’impianto in caso di anomalia nella rete pubblica, oppure contribuire al supporto della stessa, in base ai requisiti del gestore di rete locale.

Inoltre spesso possiede un dispositivo in grado di interrompere in maniera sicura il flusso di corrente dai moduli fotovoltaici. Infatti, in caso di irraggiamento, essi si trovano fondamentalmente sotto tensione, e dunque non si possono disinserire. Se si interrompe il collegamento via cavo con l’inverter durante il funzionamento, possono verificarsi pericolosi archi elettrici che, a causa della corrente continua, non scompaiono. Integrando un dispositivo sezionatore direttamente nell’inverter, l’installazione e il cablaggio risultano decisamente più semplici.

4. Comunicazione
Le interfacce di comunicazione sull’inverter consentono il controllo e il monitoraggio di tutti i parametri, i dati di funzionamento e i rendimenti. Tramite un collegamento di rete, un bus di campo, come ad es. RS485 o senza cavi mediante SMA Bluetooth®, è possibile richiamare i dati e configurare i parametri degli inverter. La maggior parte delle volte i dati vengono interrogati tramite un data logger, che raccoglie le informazioni di più inverter, e su richiesta trasmessi a un portale dati online (ad es. Sunny Portal di SMA).

5. Gestione della temperatura
La temperatura nell’involucro dell’inverter influisce anche sul grado di rendimento. Se sale troppo, l’inverter deve ridurre la sua potenza. In alcune circostanze non è quindi poi possibile utilizzare appieno la potenza di modulo attualmente disponibile.

La temperatura dipende da un lato dal luogo di montaggio (l’ideale sarebbe un ambiente uniformemente fresco). Dall’altro lato dipende direttamente dal funzionamento dell’inverter: anche con un grado di rendimento pari a 98%, le perdite (sotto forma di calore) sono comunque pari a un 2%. Con una potenza di 10 kW la potenza termica massima è pur sempre di 200 W. Quindi è particolarmente importante un raffreddamento efficiente e affidabile dell’involucro, ad es. con il sistema di raffreddamento “OptiCool” di SMA. I componenti, disposti in maniera ottimale sotto il profilo termico, possono smaltire il loro calore direttamente nell’ambiente, mentre l’intero involucro funge da dissipatore. Così gli inverter funzionano con potenza nominale massima anche a temperature ambiente fino a 50 °C.

6. Protezione
Un involucro resistente alle intemperie, in caso ottimale con grado di protezione IP65, permette il montaggio all’esterno e in qualsiasi luogo dell’inverter. Il vantaggio: più vicino viene installato l’inverter ai moduli, minore sarà l’onere dovuto alla posa dei relativamente costosi cavi CC.

Per la scelta e il cablaggio dei moduli una progettazione e un dimensionamento professionali dell’impianto tengono conto innanzitutto delle condizioni nel luogo di ubicazione: inclinazione del tetto, eventuale ombreggiamento e naturalmente orientamento. I rendimenti massimi in Germania si ottengono con un orientamento dei moduli verso sud e un’inclinazione di circa 35°.

Successivamente è fondamentale la scelta di un inverter adatto sotto il profilo della potenza e della tecnologia. La potenza nominale del generatore solare può superare fino al 10% la potenza nominale dell’inverter. Un notevole sottodimensionamento dell’inverter influisce invece negativamente sul rendimento dell’impianto poiché l’inverter non può più elaborare una parte della potenza del modulo offerta in caso di irraggiamento superiore. Inoltre è importante anche che la tensione CC massima non superi mai la tensione d’ingresso consentita, altrimenti non si possono escludere eventuali danni all’inverter.

In linea di massima è bene tener presente che quasi ogni impianto fotovoltaico è un pezzo unico e deve essere dimensionato in base a ubicazione e requisiti. Per facilitare agli installatori la progettazione di un impianto, i produttori professionisti come SMA offrono degli appositi strumenti. Con il software gratuito Sunny Design un installatore fotovoltaico può dimensionare un impianto FV accoppiato alla rete su misura per un suo cliente. Il programma ricorre a tal fine a una banca dati con tutti i moduli FV attuali e ai dati meteo ad alta definizione. Esso verifica i componenti tecnici, calcola la lunghezza e i diametri dei cavi ed esegue anche una valutazione economica dell’impianto. Così non c’è più nulla che possa interferire con un impianto fotovoltaico dimensionato in modo ottimale.