Cosa possono fare gli ottimizzatori per gli impianti fotovoltaici?

Chiunque installi un impianto fotovoltaico sul proprio tetto vuole produrre quanta più elettricità possibile. Un camino che proietta regolarmente ombre riduce il rendimento. I cosiddetti ottimizzatori promettono di aiutare. A cosa servono? Dove hanno senso? Dove non hanno senso? I ricercatori dell'Università di Scienze Applicate di Zurigo (ZHAW) a Winterthur, con il supporto dell'Ufficio Federale dell'Energia, hanno scoperto che gli ottimizzatori possono migliorare la resa, ma anche ridurla: Gli ottimizzatori possono migliorare la resa, ma anche peggiorarla. Dipende dal singolo caso.

La quantità di elettricità effettivamente prodotta da un impianto fotovoltaico dipende da vari fattori: Un camino che fa ombra, un modulo rotto o la neve sull'impianto possono ridurre il rendimento. Poiché le singole celle di un modulo e persino di più moduli solari sono interconnesse, non è facile controllare separatamente le celle in ombra e quelle non in ombra.

È qui che entra in gioco l'ottimizzatore. Con questo dispositivo elettrico, in linea di principio, è possibile utilizzare la potenza dell'anello più debole della catena senza escluderlo parzialmente o completamente. In altre parole, il modulo che produce meno perché è in ombra viene regolato in modo indipendente con l'ottimizzatore e non influisce più sul rendimento degli altri.

Il ruolo dell'MPP:

Il punto di massima potenza (MPP) è il punto di funzionamento di un modulo o di un sistema solare in cui si ottiene la potenza ottimale in un determinato momento e nelle condizioni corrispondenti (irraggiamento, temperatura, ecc.). La tensione e la corrente elettrica definiscono questo MPP. Nei sistemi solari con ombreggiatura, il rendimento di corrente ottimale di ciascun modulo potrebbe non essere raggiunto se l'MPP per i moduli ombreggiati e non ombreggiati viene impostato insieme, poiché trasportano la stessa corrente. In tal caso, i moduli con un'irradiazione solare inferiore possono influenzare quelli con un'irradiazione elevata, cosicché questi ultimi non producono tutta la potenza o il modulo interessato viene parzialmente bypassato. Un sistema con ottimizzatore, invece, consente di controllare i moduli che ne sono dotati in modo indipendente, il che significa in teoria che essi funzionano sempre in modo ottimale, a condizione che siano sufficientemente efficienti.

Fino al 25% di resa in più! Queste promesse vengono fatte dai fornitori quando si installano questi dispositivi elettrici per ottimizzare l'impianto solare. Sono realistici questi rendimenti aggiuntivi? Energeiaplus lo ha chiesto a Franz Baumgartner. Egli ha condotto lo studio presso la ZHAW per conto dell'UFE.

Energeiaplus: il 25% di potenza in più con un ottimizzatore. I dispositivi possono mantenere questa promessa? Cosa dice il vostro studio?

Franz Baumgartner dirige il corso di Tecnologia energetica e ambientale presso la ZHAW ed è docente di sistemi fotovoltaici ed energie rinnovabili; immagine: ZHAW

Franz Baumgartner: Gli ottimizzatori di potenza sono in grado di aumentare i rendimenti degli impianti fotovoltaici con ombreggiamento. Tuttavia, questo è possibile solo in scenari particolari. In tutti i casi che abbiamo esaminato, siamo stati in grado di determinare un rendimento energetico annuo massimo aggiuntivo fino al 5%, in netto contrasto con le specifiche del produttore.

Quando ha senso un ottimizzatore? Ovvero, quando conviene?

In termini di resa energetica annua, i nostri risultati mostrano che l'uso degli ottimizzatori ha senso per gli impianti fotovoltaici in aree residenziali con ombreggiamenti da moderati a pesanti, o per piccoli impianti con orientamenti multipli. Dovrebbe quindi trattarsi di un mercato di nicchia, ma oggi viene comunque venduto molto spesso. Un'ombreggiatura media può essere, ad esempio, l'ombreggiatura di due camini su un'installazione o di un tubo di ventilazione più un albero vicino. Le ombre forti sono, ad esempio, gli edifici vicini che proiettano una grande ombra sull'impianto.

Quando sconsiglierebbe gli ottimizzatori?

Bisogna considerare che anche l'ottimizzatore stesso ha bisogno di energia elettrica. O per dirla in altro modo: a seconda della situazione, il dispositivo compensa il rendimento aggiuntivo. Questo vale soprattutto se l'ombreggiamento è minimo o nullo e se ci sono al massimo due orientamenti diversi. In questo caso, il sistema raggiunge la stessa quantità di potenza o piuttosto una potenza inferiore rispetto a quella che si otterrebbe con un sistema senza ottimizzatore e due circuiti separati con elettronica di potenza convenzionale.

Gli ottimizzatori sono anche un fattore di costo. I prezzi variano notevolmente. Cosa consigliate ai clienti finali?

I costi di acquisto tendono ad essere superiori di qualche punto percentuale per un sistema Power Optimizer. Più importante, tuttavia, è l'affidabilità dell'elettronica per i molti anni in cui è esposta al vento, alla pioggia e, soprattutto, alle alte temperature. Le temperature dietro il modulo possono raggiungere oltre 70 gradi in estate, causando il malfunzionamento dell'elettronica.

Va inoltre sottolineato che, in caso di malfunzionamenti, i costi per un singolo ottimizzatore sono coperti dalla garanzia del produttore. Non lo sono invece i costi per il lavoro del meccanico solare che effettua la riparazione, che possono essere molte volte superiori. Questo può comportare un esborso di denaro (diverse centinaia o piuttosto diverse migliaia di franchi se la sostituzione sul tetto diventa complicata).

Ma il leader del mercato realizza un fatturato di miliardi, come avete scritto in un articolo tecnico (inserire il link). Vede quindi il suo studio anche come un'educazione affinché i clienti finali non rimangano delusi?

Come centro di ricerca indipendente, abbiamo il mandato di produrre risultati di ricerca oggettivi, basati su misure e fatti. Poiché non esiste ancora una normativa sulle specifiche di rendimento elettrico degli ottimizzatori di potenza, vorremmo informare i clienti finali con i risultati relativi all'argomento, in modo che possano a loro volta porre le domande appropriate alle loro aziende specializzate. Allo stesso tempo, sto guidando un gruppo di lavoro internazionale dell'AIE e del comitato per gli standard IEC per poter valutare questo aspetto in modo trasparente ed equo per tutti i componenti elettronici.

Le sue conclusioni? Gli ottimizzatori sono solo una montatura o il futuro?

La ricerca e lo sviluppo di nuove tecnologie efficienti nel campo delle energie rinnovabili è importante. In particolare, trovare una soluzione per l'influenza dell'ombreggiamento sulla resa elettrica degli impianti solari è essenziale per la futura espansione nelle aree urbane. Le rispettive aziende specializzate devono dare più peso a queste questioni speciali nella pianificazione di quanto non facciano oggi. Siamo lieti di aiutarvi, in modo che le applicazioni di nicchia complesse non dominino il mercato con tutti i rischi che poi ricadono sul cliente finale.

Per chi sono rilevanti i risultati?

Con la nostra ricerca vogliamo informare gli installatori di impianti fotovoltaici, i progettisti e anche i clienti finali su questo difficile argomento. Ci auguriamo che in futuro le aziende di progettazione fotovoltaica possano basare la loro pianificazione sui valori di rendimento corretti e non più sulle informazioni di marketing. In definitiva, ciò andrà a vantaggio anche dei clienti.

I risultati del vostro studio si basano su misurazioni di laboratorio. Come avete proceduto?

Poiché le differenze di rendimento nella maggior parte dei casi di ombreggiamento si aggirano intorno all'uno o al due percento, è difficile misurarle con precisione nelle misurazioni all'aperto. Ciò è dovuto alla fluttuazione dell'irradiazione solare e al fatto che nella pratica due tetti identici non sono quasi mai equipaggiati l'uno accanto all'altro con due sistemi diversi, cioè uno con e l'altro senza ottimizzatore. I risultati della nostra ricerca ZHAW si basano quindi su precise misurazioni in laboratorio al chiuso su ottimizzatori commerciali e inverter convenzionali e su un software di simulazione appositamente sviluppato per determinare gli effetti sulla resa annuale.

Ora volete ampliare ulteriormente il progetto di ricerca ed effettuare anche misurazioni in campo. Cosa vi aspettate da questo?

Con le misurazioni termiche sul campo, stiamo studiando un altro effetto dell'utilizzo degli ottimizzatori, ovvero la potenziale riduzione della temperatura del punto caldo delle celle solari in ombra. In altre parole, quando le celle solari sono in ombra, è possibile che il modulo solare venga parzialmente bypassato impostando l'MPP. In questo caso, le celle solari parzialmente ombreggiate si riscaldano. In teoria, controllando gli ottimizzatori, queste condizioni si verificano meno frequentemente, riducendo il riscaldamento della cella solare in ombra e quindi il carico sul modulo solare.

Ecco come si è svolto lo studio:

Nel laboratorio dell'Istituto per i sistemi energetici e l'ingegneria dei fluidi della Scuola di Ingegneria ZHAW di Winterthur è stata misurata l'efficienza (o le perdite) di quattro modelli comuni di ottimizzatori di potenza e di quattro inverter solari. Sono stati utilizzati strumenti di misura di alta precisione e dispositivi elettrici (sorgenti di corrente) in grado di simulare il comportamento (cioè corrente e tensione) di un gran numero di moduli solari diversi. In particolare, è stata determinata l'efficienza degli ottimizzatori e degli inverter per un gran numero di applicazioni. Sulla base di questi valori misurati, è stato sviluppato un modello matematico-fisico in grado di calcolare le perdite per tutti i possibili punti di funzionamento.

Oltre alle misurazioni, negli ultimi tre anni il gruppo di ricerca ha sviluppato uno strumento di simulazione fotovoltaica che mappa con precisione la posizione del sole, l'irraggiamento, la temperatura, l'ombreggiatura e le proprietà elettriche dei moduli fotovoltaici. L'applicazione di simulazione implementa anche il controllo idealizzato da parte dei dispositivi (inverter o ottimizzatori di potenza), oltre al già citato modello fisico delle perdite. Di conseguenza, è possibile simulare un'ampia varietà di sistemi solari con numerosi casi di ombreggiamento e determinare i rendimenti elettrici annuali. Questo ci permette di calcolare un sistema solare con ottimizzatore di potenza e un sistema senza questi dispositivi esattamente nelle stesse condizioni. Possiamo così fare confronti precisi.

Ulteriori informazioni sullo studio ZHAW sono disponibili qui:

Tesi di Master di Cyril Allenspach, ZHAW https://digitalcollection.zhaw.ch/bitstream/11475/27358/3/2023_Allenspach_Cyril_MSc_SoE.pdf

Dettagli sullo studio ZHAW: https://www.zhaw.ch/de/forschung/forschungsdatenbank/projektdetail/projektid/4870/

Intervista: Brigitte Mader, Comunicazione, Ufficio federale dell'energia
Foto: shutterstock; ID: 2122613513; iyks