Inseguitori solari, sono la soluzione facile per l'energia gratuita?
Pannelli solari e loro posizionamento
Sui mezzi ricreazionale - moderni o datati che siano - sono di vitale importanza , oltre a tutte le altre funzioni ordinarie quali cucinare etc sono i servizi primari:
riserva idrica e riserva energetica
Date le attuali dotazioni una sola batteria non è più sufficiente a garantire il corretto funzionamento, per un periodo di tempo sufficientemente prolungato, delle attrezzature di bordo. Ecco quindi che si pone il problema di non consumare totalmente l’energia disponibile stoccata nella batteria.
Il metodo più semplice consiste nell’istallare una seconda batteria per i servizi, ma come le ricarichiamo queste batterie in caso di sosta prolungata, o di utilizzo di attrezzature ad alto consumo?
L’attuale tecnologia ci consente di intervenire in questo senso con vari sistemi, tutti indubbiamente validi: istallazione di un generatore di corrente a combustione interna (alimentazione a benzina o a gas), istallazione di pile chimiche (Efoy), istallazione di generatori di corrente a basso impatto ambientale (generatori eolici o pannelli solari).
Nei primi due casi dovremmo, oltre che portarci appresso il carburante per il loro funzionamento, sopportare rumore ed emissioni inquinanti (generatore a combustione interna); con l’ultima opzione abbiamo a disposizione una fonte d’energia pulita a costo zero.
Ulteriore distinzione per le risorse a basso impatto ambientale va fatta in base alla disponibilità. Infatti delle due la forma più stabile è, senza ombra di dubbio, quella solare, bene o male il sole c’è sempre a tutte le
latitudini e in tutte le stagioni.
Prendiamo quindi in considerazione di istallare sul nostro veicolo uno o più pannelli solari fotovoltaici.
I pannelli solari sono di diverso tipo e di diversa resa in funzione del numero e del tipo di celle che lo compongono.
Per quanto riguarda la composizione delle celle abbiamo li distinguiamo per i materiali impiegati:
Silicio monocristallino, in cui ogni cella è realizzata a partire da un wafer la cui struttura cristallina è omogenea (monocristallo), opportunamente drogato in modo da realizzare una giunzione p-n
Silicio policristallino, in cui il wafer di cui sopra non è strutturalmente omogeneo ma organizzato in grani localmente ordinati.
Silicio Amorfo, in cui gli atomi di silicio vengono deposti chimicamente in forma amorfa, ovvero strutturalmente disorganizzata, sulla superficie di sostegno. Questa tecnologia impiega quantità molto esigue di silicio (spessori dell'ordine del micron). I moduli in silicio amorfo mostrano in genere una efficienza meno costante delle altre tecnologie rispetto ai valori nominali, pur avendo garanzie in linea con il mercato.
Silicio microsferico, in cui si impiega silicio policristallino ridotto in sfere del diametro di circa 0,75 mm ingabbiate in un substrato di alluminio.
Delle tecnologie citate, soltanto l'amorfo e il microsferico permettono la flessione del modulo: nel caso dell'amorfo non vi è la struttura cristallina del materiale ad impedirne la flessione, nel caso del microsferico non è la cella (sfera) a flettersi, ma la griglia a nido d'ape su cui è disposta.
I pannelli solari attualmente in commercio sono in gran parte costituiti da celle in silicio microcristallino o silicio policristallino.
Per motivi costruttivi, il rendimento dei moduli fotovoltaici è in genere inferiore o uguale al rendimento della loro peggior cella. Con rendimento si intende la percentuale di energia captata e trasformata rispetto a quella totale giunta sulla superficie del modulo; è quindi proporzionale al rapporto tra watt erogati e superficie occupata, ferme restando tutte le altre condizioni.
Alcuni pannelli a concentrazione per uso terrestre, derivati dal settore aerospaziale (Boeing - Spectrolab), hanno rendimenti nominali che superano anche il 40% dei valori tipici riscontrabili nei comuni prodotti commerciali a base silicea che si attestano intorno al:
• 15% nei moduli in silicio monocristallino;
• 13% nei moduli in silicio policristallino;
• 6% nei moduli in silicio amorfo.
Scartando i moduli in amorfo in quanto aventi un rendimento eccessivamente basso, dobbiamo dire che anche avendo un rendimento minore i policristallini, riescono a lavorare in modo migliore dei moncristallini senza essere orientati ortogonalmente ai raggi solari.
Orientamento dei pannelli solari
Qual'è il giusto orientamento dei pannelli solari?
L'orientamento e l'inclinazione sono due fattori fondamentali per determinare il rendimento di un pannello solare. Un cattivo orientamento può causare forti perdite di rendimento energetico. Al pari può accadere con una cattiva inclinazione.
Partiamo quindi dal presupposto che un pannello solare deve catturare la maggiore quantità di energia solare possibile. Per farlo deve essere esposto direttamente ai raggi solari in modo perpendicolare e non sempre è facile ottenere questa condizione. Durante la giornata la posizione del sole nel cielo non è mai la stessa. Inoltre, le zone d'ombra causate dalla presenza di ostacoli (alberi, palazzi, ecc) sono sempre in agguato.
Per catturare l'irraggiamento solare in modo perpendicolare i pannelli solari sono sempre rivolti verso il sole. La nostra stella percorre il cielo nella zona sud del cielo nell'emisfero boreale del pianeta (in pratica il nostro). Al
contrario, nell'emisfero australe il percorso del sole nel cielo ha luogo a nord. Pertanto nel nostro continente tutti i pannelli solari sono "teoricamente" orientati verso sud. L'inclinazione è invece determinata dalla latitudine del luogo di installazione dei pannelli. Il motivo è molto semplice: quanto più ci si allontana dall'equatore, tanto più il percorso del sole si svolge più in basso rispetto all'orizzonte.
La diminuzione di esposizione dovuta a un non perfetto allineamento a questi standard causa una diminuzione dell’efficienza del pannello stesso. Sarà tanto più marcata quanto più ci si allontana dalla perpendicolarità del piano del pannello rispetto alla direzione del sole.
Un pannello mal orientato può rendere solo il 10% della sua resa massima.
Il rendimento dei pannelli solari è determinato anche dall'inclinazione dei pannelli. Il rendimento massimo si ottiene nel momento in cui i raggi solari irraggiano il pannello in modo diretto e perpendicolare. Abbiamo approfondito sopra l'importanza dell'orientamento e ora parleremo dell'inclinazione.
L'inclinazione dei raggi solari varia in base alla latitudine del luogo e al periodo dell'anno. Essendo variabile nel corso dei 365 giorni dell'anno, l'inclinazione dei pannelli solari dovrebbe essere periodicamente modificata.
Quando si affronta il tema dell'inclinazione è necessario ed indispensabile prendere in considerazione due fattori:
• la latitudine del luogo • il periodo dell'anno
La latitudine del luogo di ubicazione dell'impianto.
L'altezza del sole nel cielo varia in base al grado di latitudine. Ad esempio nell'emisfero boreale il sole ci appare tanto più basso nel cielo, quanto più ci spostiamo verso il polo nord. La posizione del sole nel cielo è
determinata anche dal periodo dell'anno.
In una località situata alle medie latitudini dell'emisfero boreale l'altezza del sole del cielo varia sensibilmente nel corso dell'anno. Nel giorno del solstizio d'inverno (21 dicembre) il sole ci appare basso, mentre il polo Nord è completamente in ombra. Al contrario, nel giorno del solstizio d'estate (21 giugno) il sole ci appare alto nel cielo. Per ottenere un irraggiamento perpendicolare l'inclinazione dei pannelli solari si dovrà pertanto tenere conto dell'esatta posizione nel cielo dell'astro. Generalmente, si tende ad inclinare i collettori solari di un angolo pari alla latitudine del luogo. I pannelli ci appaiono tanto più verticali quanto più ci si sposta verso nord nell'emisfero boreale.
Regolatori di carica MPPT
Che cos'è un regolatore di carica solare MPPT?
MPPT è un acronimo che sta per Maximum Power Point Tracking.
Vuol dire che il regolatore di carica è in grado di inseguire costantemente il punto di massima potenza che il pannello è in grado di erogare in quel momento, a seconda dell'irraggiamento solare.
Quali sono i principali vantaggi?
Maggior corrente di ricarica erogata alla batteria.
I regolatori MPPT sono infatti in grado di utilizzare tutta la potenza generata dal pannello per caricare la batteria, a differenza dei regolatori tradizionali PWM che inviano alla batteria la corrente generata dal pannello.
Per ben comprendere questo concetto occorre innanzitutto specificare che la potenza di un pannello è il risultato della seguente moltiplicazione: (Corrente erogata dal pannello) x (Tensione generata dal pannello).
La tensione di lavoro generata dal pannello è tipicamente intorno ai 16-18V (non 12V, come la tensione di batteria), questo surplus di tensione non viene considerato nei regolatori di tensione tradizionali, mentre nei
regolatori MMPT sì: vediamo come.
Ipotizziamo che la corrente generata da un pannello fotovoltaico sia, in una certa situazione, 3A: con un regolatore PWM tradizionale la corrente che viene trasferita alla batteria per la ricarica è pari a 3A.
Un regolatore MPPT analizza invece la potenza generata dal pannello (P = V x I, come detto prima) e considera quindi anche la tensione del pannello: se pertanto supponiamo che la tensione del pannello sia in quel momento 17V la potenza erogata dal pannello è 17V x 3A= 51W.
Se la tensione di batteria è di 13V, considerando la massima potenza di 51W, la corrente di carica che verrà trasmessa alla batteria, è 51W/13V= 3,9 A.
Notiamo quindi che la batteria sarà caricata con una corrente pari a 3,9A con il regolatore MPPT, anziché 3A come accadrebbe con un regolatore tradizionale e la ricarica si
otterrà pertanto con una rapidità maggiore del 30%, a parità di pannello e di corrente erogata.
In pratica è come se utilizzassimo un pannello da 130W anziché uno da 100W, quindi il maggior costo di un regolatore MPPT viene bilanciato dal risparmio sul costo del pannello.
Ampio range di tensione in input (fino a 100V, secondo i modelli): questa caratteristica genera ad esempio la possibilità di caricare una batteria 12V con un pannello progettato per lavorare a 24V, senza perdita di potenza.
Infatti, riprendendo l'esempio di prima, ipotizziamo di usare un pannello progettato per lavorare a 24V, che ha valori di tensione di lavoro tipici di 32-36V (valore tipico per potenza pannello superiore a 160W) Vediamo che cosa accade con corrente erogata di 3A:
- la potenza erogata dal pannello è 32,2V x 3A=96,6W
- la corrente di carica della batteria corrispondente ad esempio a 12,1V di tensione della batteria è 96,6W/12,1V= 7,98 A.
Notiamo come con una corrente di 3A prodotta dal pannello a 34V riusciamo a caricare la batteria 12Vcon c.a. 8A, grazie al lavoro del regolatore MPPT.
Un regolatore classico PWM non avrebbe effettuato questo innalzamento di corrente, e si sarebbe limitato a trasferire i 3A generati dal pannello, che si sarebbe quindi comportato come un pannello di metà potenza.
Anche in questo caso il maggior costo del regolatore MPPT viene bilanciato dal fatto che un pannello da 180W costa
meno di 2 pannelli da 110W, ma che la corrente di carica alla batteria è la stessa.
Nell'economia generale dobbiamo però tener di conto che i regolatori MPPT hanno un costo iniziale nettamente superiore a quelli normali.
Posizione dei pannelli solari su un veicolo ricreazionale
Nel nostro caso, trattando di veicoli ricreazionali come i camper i pannelli vengono posizionati nella parte superiore del veicolo e possono essere posizionati:
• Fissi , perpendicolari o longitudinali al veicolo
• mobili, incernierati su uno dei lati per ottenere una maggiore esposizione
• montati su sistemi di puntamento manuali o automatici
La maggior parte dei pannelli sono posizionati distesi sul tetto del veicolo, 1n posizione longitudinale o trasversale, posizione decisamente poco performante per i pannelli solari.
Migliorativa, rispetto alla posizione di cui sopra, è la soluzione di montare il pannello incernierato su un lato al fine di poterne modificare manualmente l’inclinazione, così per renderla più aderente possibile, almeno per qualche ora, alla normale condizione di perpendicolarità.
C'è da dire però che il lavoro di adattamento del pannello, da operare ora dopo ora, per potenziarne la resa non vale l’impegno.
Ecco quindi che prende corpo una terza possibilità di installazione: installare il modulo di captazione fotovoltaica su un sistema di puntamento manuale od automatico.
L’ipotesi migliore è quella di montare il pannello su un supporto che ruoti di 360° e si inclini di 180° per seguire l’andamento del sole. Un lavoro improbo da eseguire manualmente, dato che dovremmo almeno una volta ogni ora orientare il pannello a vista o utilizzare un voltmetro che ci indichi guadagno o perdita di potenza generata.
Per risolvere questo problema dovremmo quindi trovare un meccanismo che ci consenta di ottenere un “inseguimento” automatico della nostra fonte di energia.
Abbiamo eseguito una serie di ricerche in rete e abbiamo scoperto che un'azienda di Vittorio Veneto, la Co.E.M., produce qualcosa che potrebbe essere d'interesse per il nostro scopo. L'abbiamo contattata e abbiamo chiesto che ci venisse inviato materiale illustrativo.
Innanzitutto: si tratta di un inseguitore solare costruito totalmente in acciaio inox (pesa 16 kg) predisposto per montare moduli di dimensioni fino a 130 x 60 cm. Consta di un motoriduttore che ne comanda il brandeggio e la rotazione, comandato da un processore e da un'unità di quattro fotosensori, uno per ogni punto cardinale. Ci suggeriscono che il montaggio ideale è in coda al VR, ancorato alle barre del portapacchi.
L’unità dispone di una centralina interna al VR che ne permette l’accensione e lo spegnimento collegata con 4 fili, due di potenza da 4-6 mmq di sezione e due di comando.
All’accensione l’apparecchiatura porta il pannello ad una inclinazione di 40°, il brandeggio utile va dai 4° a gli 80°, ed effettua una rotazione iniziale di 540° alla ricerca della fonte di irraggiamento.Trovata la direzione e l’inclinazione ottimale, in due minuti circa, ne fissa la posizione, intervenendo ogni 15 minuti per effettuare le correzioni atte a mantenere il puntamento ideale e limitando il consumo dello stesso.
Durante la notte, l’inseguitore ritorna indietro di circa 120° per essere pronto il mattino successivo a riprendere l’inseguimento.
All’avvio del motore del camper l’inseguitore ritorna automaticamente in posizione di chiusura abbassandosi da solo in meno di 30 secondi.
L'utilizzo del dispositivo consente uno sfruttamento ideale del modulo fotovoltaico non solo per quanto riguarda la risposta di potenza ma anche per quanto riguarda l’arco di sfruttamento orario. Interessanti sono le curve di sfruttamento del pannello stesso. Nelle immagini qui accanto potete confrontarle con quelle di un modulo montato in orizzontale.
Evidente è il range di utilizzo del pannello nelle prime ore del giorno e il fatto che con un inseguitore solare come quello della Co.E.M. non solo sfruttiamo a pieno le ore centrali del giorno, ma incominciamo ad avere carichi superiori all’80% fin da due ore dopo il sorgere del sole e fino a due ore dal tramonto.
Il diagramma a lato mostra la differenza di rendimento fra un pannello di 100 watt orientato verso il sole (in rosso), e lo stesso pannello posto orizzontalmente (in blu) nel periodo estivo.
Nella fascia A, la corrente è tre volte quella di un pannello orizzontale.
Nella fascia B la corrente è doppia.
Come si vede in questo diagramma manca la fascia B. Ciò significa che il rendimento del pannello fotovoltaico orientato verso il sole con il dispositivo nel periodo invernale è sempre 3 volte di più di quello orizzontale.
Il rendimento può aumentare del 45%
Il rendimento del pannello fotovoltaico "fisso", come si può vedere dal grafico sottostante, varia da 0 (all'alba) gradualmente ad un picco (a mezzogiorno) fino a ridiscendere a zero al tramonto, secondo una curva "a campana".
Se l'impianto è invece dotato di inseguitore solare a 2 assi (come quello Co.E.M.) già due ore dopo l'alba il pannello è in grado di raggiungere la potenza massima, che viene mantenuta fino a ca. 2 ore prima del tramonto, ridiscendendo poi rapidamente.
Le barre di colore blu nel grafico sottostante indicano l'energia in più che riusciamo a produrre grazie all'inseguimento solare.
Gli inseguitori solari ad 1 asse di rotazione consentono un rendimento superiore fino al 30% rispetto agli impianti fissi di pari potenza (rispetto a pannelli direzionati a sud e inclinati di 35°). Con gli inseguitori a 2 assi si può giungere fino al 45% di aumento.
Un'altra importante considerazione è da farsi in merito all'utilizzo delle batterie di bordo. Avendo nell'arco della giornata una produzione di energia costante per un arco di tempo più ampio i consumi vanno a gravare direttamente sul pannello fotovoltaico e non sulle batterie. Come voi ben sapete il rendimento del ciclo di carica e scarica delle batterie al piombo è circa 0,7Ah, questo vuol dire che usando l'energia direttamente dal pannello fotovoltaico ne abbiamo a disposizione un 40% in più. Oltre a questo incremento di rendimento aumentiamo pure la durata delle batterie riducendo il numero dei cicli di carica e scarica
Non possiamo che apprezzare il risultato di questo inseguitore sperando di poter al più presto testare sul campo il prodotto, sicuri di ottenere risultati in linea con i dati teorici qui riportati nell’articolo.
Per completezza di informazione segnaliamo che i grafici e i diagrammi inerenti il rendimento dei moduli applicati al dispositivo ci sono stati forniti dall'azienda.
Ultima considerazione: occorre tener conto che al peso dell'apparecchio , attualmente costruito in acciaio inox, deve sommarsi anche quello del modulo fotovoltaico.
Maggiori info sul prodotto Co.E.M. potrete ottenerle contattando il sig Walter Da Ros: info@coemsrl.it
R.P.
Le immagini sono tratte dalla rete quindi si riconoscono i diritti ai legittimi proprietati benchè non espressamente citati. Il materiale fotografico relativo all'inseguitore solare è stato fornito dall'azienda costruttrice
ma tutto quel peso il portapacchi lo regge? e se arriva qualche sventolata forte mentre il pannello è alzato? non che sradica tutto, tetto compreso?
bò.... mica sono convinto.. e poi quanto costa quell'affare?
28
Giu
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e riserva energetica 
