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Rapporto RSE A5-049402

5.1.3.3-Monitoraggio di impianti fotovoltaici:Valutazione dei risultati per il sistema di prova, monitoraggio impianti e considerazioni conclusive. GEN 21 SOLEFV 5133

Rapporto

2005

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S. Guastella (CESI RICERCA spa) , C. Rosito (CESI RICERCA spa)

* CESI RICERCA è la precedente denominazione societaria di RSE.

5 RINN - Generazione elettrica da fonte eolica, solare e da biomasse

CESI ha condotto un’attività di ricerca e sviluppo, rivolta all'utilizzo di Sistemi di generazione ad energia fotovoltaica, nell’ambito della Ricerca per il Sistema Elettrico (RdS). Questa ricerca ha avuto l’obbiettivo di sviluppare e rendere disponibili soluzioni tecnologiche innovative in grado di abbattere significativamente i costi della produzione elettrica da fonte solare fotovoltaica, pur nel rispetto dei vincoli tecnici ed ambientali di pertinenza. Il solare fotovoltaico costituisce certamente un settore in cui la ricerca e l’innovazione, a vari livelli, possono contribuire significativamente alla riduzione dei costi e al miglioramento sia delle prestazioni sia dell’affidabilità dei sistemi. E’ altresì evidente come da questa composizione di fattori il sistema elettrico possa trarre notevoli benefici. Considerando, inoltre, che il grado di penetrazione nel territorio di una nuova tecnologia come quella fotovoltaica non dipende unicamente da fattori tecnico-economici, ma investe anche altri aspetti, legati all’accettazione delle soluzioni proposte da parte dei soggetti di volta in volta interessati, la ricerca sviluppata in questo lavoro è stata orientata principalmente all’individuazione e all’analisi di un adeguato ventaglio di soluzioni tecnologiche in grado di soddisfare le esigenze degli utilizzatori di impianti fotovoltaici, ma anche all’analisi e alla presentazione delle prestazione energetiche e dell’affidabilità di impianti già installati e da tempo operanti nel sistema elettrico italiano. Proprio la diffusione di questi risultati fornirà ai potenziali utilizzatori di impianti fotovoltaici (proprietari, responsabili tecnici di enti pubblici, gestori di reti elettriche, responsabili di programmi di incentivazioni per la diffusione di questi impianti, …) una maggiore conoscenza sull’affidabilità nel tempo di questi impianti di generazione e sul loro comportamento all’interno del sistema elettrico italiano, rimuovendo per quanto possibile le diffidenze legate ad una tecnologia finora poco conosciuta e alle peculiari caratteristiche che li rendono distribuiti sul territorio nazionale. In questo contesto, è da registrare come questa forma di generazione energetica stia suscitando un notevole interesse nazionale soprattutto con l’avvio di disposizioni ministeriali per l’incentivazione economica all’installazione di impianti fotovoltaici da 1 a 1000 kW collegati alla rete elettrici (DM 28/07/2005). Lo stesso interesse era da qualche anno evidente in ambito internazionale, grazie ad analoghi provvedimenti. Anche la ricerca in questo settore ha avuto negli ultimi anni uno sviluppo consistente, come è evidenziato dall'esistenza di importanti programmi di ricerca, in alcuno dei quali il CESI è stato chiamato a collaborare per le proprie competenze tecniche, quali il progetto EU Hybrix, il Working Group Photovoltaic Plant

Monitoring (promosso dall'UE DG TREN) e i Task 1 e Task 10 del Photovoltaic Power Systems Agreement PVPS (promosso dall’IEA). Le attività svolte nell’ambito di questa ricerca sono descritte nelle seguenti tre parti della presente relazione. Parte A Valutazione delle prestazioni di impianti fotovoltaici di differente tipologia e localizzazione, mediante elaborazione dei loro dati di funzionamento. Parte B Confronto delle prestazioni dei componenti di un impianto funzionante da più di 20 anni Parte C Aspetti tecnologici e prestazionali dell’integrazione del fotovoltaico nelle strutture architettoniche Nella parte A di questa relazione sono state presentate le valutazioni delle prestazioni di circa 50 impianti fotovoltaici di differente tipologia e localizzazione, mediante elaborazione dei loro dati di funzionamento. L’elaborazione e l’analisi dei dati di esercizio degli impianti fotovoltaici analizzati ha evidenziato, in genere, un loro corretto funzionamento nel periodo di osservazione (in genere compreso fra il 2000 e il 2005). L’indice di prestazione degli impianti (PR), cioè il rapporto fra il rapporto fra l'energia prodotta e quella teoricamente producibile ovvero l’efficienza del sistema a valle della conversione fotovoltaica, è stato in molti casi superiore all’80%, anche nel caso di impianto con moduli in silicio amorfo. Nello stesso tempo, sono stati tuttavia riscontrati anche valori di PR inferiori al 50%, con un valore minimo di circa il 30%. Valori così ridotti sono stati ottenuti in impianti che sono rimasti fuori servizio per diversi mesi, per guasti di componenti (quali l’inverter o il dispositivo di interfaccia alla rete), ma anche per motivi non tecnici (quali il mancato ripristino di un interruttore, dopo il suo intervento, da parte del gestore dell’impianto). A conferma dell’importanza dei motivi non strettamente tecnici nella gestione degli impianti fotovoltaici, l’analisi dell’andamento dell’indice di prestazioni PR, nei vari impianti fotovoltaici esaminati, ha mostrato variazioni poco evidenti al variare della potenza installata e più consistenti a seconda di impianti telemonitorati o non telemonitorati. Infatti, sono stati registrati valori di PR elevati negli impianti presidiati o monitorati da posizione remota, nei quali gli eventuali malfunzionamenti sono stati prontamente individuati e ripristinati, mentre sono stati rilevati valori alquanto bassi nel caso di impianti, anche di potenza elevata (100-300 kWp), non presidiati o non telemonitorati. Non sono state evidenziate rilevanti diminuzioni delle prestazioni degli impianti nel corso degli anni; anzi, a meno di sporadici guasti di componenti, sono stati registrati soltanto miglioramenti delle prestazioni dopo la loro messa a punto iniziale e l'eliminazione di eventuali cause di fuori servizio temporaneo. L’analisi dell’andamento della resa energetica conferma come la disponibilità di radiazione solare sia alquanto differente in tutto il territorio nazionale e l’energia prodotta dagli impianti fotovoltaici, per ogni kW installato, vari in funzione della loro localizzazione da 2,3 kWh/giorno (oppure 850 kWh/anno) in zone settentrionali a 3,6 kWh/giorno (oppure 1300 kWh/anno) in zone meridionali. I rendimenti di conversione degli inverter commerciali sono risultati alquanto differenti fra un tipo e l’altro, a

seconda ovviamente della qualità costruttiva: i rendimenti degli inverter collegabili alla rete sono risultati compresi fra l'88 e il 97% (valori più elevati sono stati ottenuti da inverter di potenza più elevata), mentre quelli degli inverter per servizio isolato sono risultati compresi fra l’80 e il 92%. I gruppi di conversione composti da più unità di inverter (inverter di stringa) hanno mostrato un livello di affidabilità che è stato quasi uguale a quello degli inverter centralizzati (un unico inverter per impianto). Gli impianti dotati di inverter di stringa hanno fatto registrare una minore perdita di energia, dovuta a guasto dell’inverter, rispetto a quelli con inverter centralizzato; inoltre in caso di guasto, l’intervento di ripristino avviene in genere in modo più veloce ed economico. Nella parte B della relazione è stato effettuato il confronto delle prestazioni dei componenti di un impianto funzionante da più di 20 anni (impianto fotovoltaico da 80 kW di Vulcano) con quelle altri componenti di nuova generazione, installati nel medesimo sito. La verifica delle prestazioni dei moduli fotovoltaici dopo 21 anni dalla loro installazione è stata effettuata sottoponendo un campione significativo di moduli (quasi 50) dell’impianto a prove presso un la laboratorio specializzato (TISO-SUPSI di Lugano). I risultati delle prove sono state confrontate con analoghe ottenute nel 1984 (anno d’installazione) e nel 1994 ottenendo, quindi, indicazioni quasi uniche sulle prestazioni dei moduli fotovoltaici e sul loro eventuale degrado, nel corso della vita-utile, in quanto, l’impianto da 80 kWp di Vulcano è tuttora l’impianto “più anziano” installato in Europa e l’unico impianto “pilota” finanziato dalla EU tuttora in esercizio. Dai risultati ottenuti appare evidente come, dopo 21 anni dall’installazione e 22 dalla costruzione dei moduli, la loro potenza di picco sia diminuita mediamente del 6% rispetto al suo valore iniziale, con punte di degrado del 10%. In questo occorre tenere conto che la precisione di misura raggiungibile in questi rilievi è circa il 4%. In ogni modo, il degrado di potenza, riscontrato sui moduli fotovoltaici installati da 21 anni presso l’impianto di Vulcano, è stato largamente inferiore al valore massimo che oggi i costruttori garantiscono sui moduli attuali (-20% in 20 anni), pur trattandosi di moduli prodotti con la tecnologia costruttiva disponibile 20 anni fa. Inoltre, il confronto fra le misure della potenza di picco del generatore fotovoltaico da 80 kW di Vulcano, effettuate nel 1984 (anno d’installazione) e nel 1994 e l’analoga misura effettuata nel corso di questo lavoro ha consentito di verificare il grado di funzionamento del generatore dopo 21 anni dall’installazione, analizzando l’andamento nel tempo del suo eventuale degrado. Anche questo confronto, come quello sui moduli, ha fornito indicazioni quasi uniche sulle prestazioni dei moduli fotovoltaici e sul loro eventuale degrado, nel corso della vita-utile. Dai risultati ottenuti, appare evidente come, dopo 21 anni dall’installazione, la potenza di picco del generatore sia diminuita rispetto al suo valore iniziale, di una percentuale inferiore alla precisione di misura raggiungibile in questi rilievi, vale a dire circa il 5%. Pertanto è lecito ritenere che il degrado di potenza del generatore fotovoltaico dopo da 21 anni dalla sua installazione sia molto contenuto. La valutazione dei dati di funzionamento dell’impianto da 80 kW ha evidenziato come dopo la messa in servizio, in seguito alle variazione impiantistiche, l’impianto abbia funzionato con regolarità facendo registrare buone prestazioni energetiche.

Infine, l’elaborazione dei dati di monitoraggio dei 3 impianti della centrale fotovoltaica di Vulcano ha anche consentito di effettuare delle analisi singolari, data la natura sperimentale delle misure e dei confronti effettuati, sul comportamento di impianti fotovoltaici di differenti per tecnologia, caratteristiche impiantistiche e anno di installazione, fra le quali si segnalano le seguenti: • le prestazioni energetiche degli impianti non sono state sensibilmente influenzate dalla tecnologia dei moduli (silicio monocristallino o silicio policristallino). • le caratteristiche impiantistiche hanno influenzato le prestazioni energetiche degli impianti; è stato riscontrata una diminuzione dell’energia prodotta dall’impianto con inverter centralizzato, rispetto all’impianto con multi-inverter, dovuta a un guasto dell’inverter che ha comportato il fuori servizio dell’intero impianto; tale diminuzione non è stata sufficientemente compensata dal rendimento più elevato fatto registrare dall’inverter centralizzato; • le prestazioni energetiche degli impianti non sono state influenzate in modo apprezzabile dall’anno di installazione dei moduli; la produzione energetica nei vari mesi del 2005 è stata regolare per tutti i generatori fotovoltaici e le prestazioni dei moduli fotovoltaici installati nel 1984 sono stati praticamente uguali a quelli dei moduli installati nel 2005, a parità di potenza installata; pertanto si può riconoscere che la “vetustà” degli impianti fotovoltaici influenza solo in modo molto limitato le loro prestazioni energetiche. Nella parte C della relazione sono stati analizzati, in collaborazione con il Dipartimento di Energetica del Politecnico di Milano, gli aspetti tecnologici e prestazionali dell’integrazione del fotovoltaico nelle strutture architettoniche, al fine di individuare alcune problematiche che potrebbero condizionare l’ottimizzazione delle prestazioni tecnologiche ed energetiche dei moduli nel processo di integrazione architettonica e di fornire indicazioni per perseguire una corretta interazione tra il sistema impiantistico, l’organismo edilizio e le condizioni ambientali.

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