Come scegliere una struttura per i moduli fotovoltaici? Una struttura fotovoltaica ben scelta mantiene un equilibrio tra costi, prestazioni e durata .

In questa guida tratteremo argomenti come:

• selezionando la potenza dell’impianto fotovoltaico,
• inclinazione ottimale della struttura fotovoltaica,
• diverse configurazioni di strutture fotovoltaiche,
• scelta degli ancoraggi della struttura al suolo,
• scelta del materiale di cui è composta la struttura,
• valutare la qualità della struttura.

Vedi: opzioni disponibili per strutture fotovoltaiche a terra

Questo articolo non copre i sistemi di inseguimento, le installazioni con disposizione est-ovest o le strutture con moduli montati verticalmente per l'agrofotovoltaico.

Iniziamo discutendo delle tue esigenze.

Scelta della potenza dell'impianto fotovoltaico

La scelta adeguata della potenza di installazione offre un'ampia gamma di possibilità significative. Si commette un errore selezionando la potenza dell'impianto sulla base di presupposti matematici arbitrari, come il principio di 1 kWp per 1000 kWh di consumo energetico annuo. Non è necessario preoccuparsi eccessivamente delle potenziali perdite derivanti dal "sovradimensionamento" dell'impianto.

Nella maggior parte dei paesi europei e per tutti i sistemi di fatturazione (escluso lo scambio sul posto) maggiore è la potenza del fotovoltaico, meglio è . Per un consumo annuo di 40.000 kWh potete selezionare un impianto con una capacità di 30, 40, 50, 60 o addirittura 70 kWp! Non sarebbe un errore. Perché?

• Un'installazione più grande significa un costo unitario inferiore per ogni kWp.
• I moduli perdono circa il 10% della loro potenza in 25 anni.
• L'espansione dell'installazione comporta un costo aggiuntivo significativo.
• Per tutti i modelli di fatturazione (ad eccezione dello scambio sul posto), le eccedenze energetiche annuali comportano vantaggi finanziari.
• L'impianto si sporca e perde efficienza. Dal punto di vista economico è meglio investire in moduli aggiuntivi piuttosto che spendere regolarmente soldi per pulirli. In condizioni tipiche, la pulizia ogni cinque anni sembra ottimale.
• Non conosciamo nessuno che dica "Ho troppo PV". Conosciamo molti che dicono "avrei dovuto comprare più fotovoltaico".
• Il consumo di energia è in costante aumento. La realizzazione di un impianto "sovradimensionato" tiene conto del futuro aumento della domanda.

Consigliamo quindi di scegliere la potenza di installazione più ampia possibile , tenendo conto delle limitazioni quali:

• bilancio
• spazio disponibile
• potenza di connessione

Modi matematicamente precisi per determinare la potenza più conveniente dell'impianto non sono oggetto di questo articolo e non sono del tutto possibili. Tuttavia, superare il mito degli impianti “sovradimensionati” è molto importante.

Spesso i clienti lasciano spazi vuoti nella struttura, il che non è conveniente.

Pendenza dei moduli fotovoltaici negli impianti più piccoli

Se ritieni che meno di 50 kWp di moduli fotovoltaici saranno sufficienti per soddisfare le tue esigenze, abbiamo buone notizie! Installazioni di queste dimensioni possono essere realizzate su un'unica fila , quindi non dovete preoccuparvi che una fila di moduli proietti un'ombra sulla fila dietro. In tal caso, scegliere la pendenza ottimale è abbastanza semplice.

La pendenza ottimale dipende dalla latitudine e dalle condizioni meteorologiche caratteristiche della regione. In Europa, secondo uno studio scientifico basato su dati satellitari, va dai 20° ai 50°:

L'inclinazione ottimale dei moduli fotovoltaici a seconda della regione in base ai dati di due sistemi. A sinistra abbiamo PV-GIS, a destra ECEM. Fonte -  Yves-Marie Saint-Drenan, Un approccio per la stima della potenza fotovoltaica aggregata generata in diversi paesi europei a partire da dati meteorologici , ResearchGate .

Angoli di inclinazione ottimali per posizioni selezionate in base alla fonte sopra menzionata:

• Danzica - 36°
• Sicilia - 33°
• Edimburgo - 40°

Pendenza dei moduli fotovoltaici e spaziatura tra le file negli impianti più grandi

Negli impianti più grandi (normalmente sopra i 50 kWp, ma questo dipende dallo spazio disponibile) è necessario prevedere l'installazione su più stand posti uno dietro l'altro.

Queste file proiettano ombre , quindi devono essere posizionate ad una certa distanza l'una dall'altra. Maggiore è l'angolo di inclinazione dei moduli, maggiore è la distanza richiesta. Al contrario, maggiore è la distanza, maggiore è la superficie occupata dall'installazione . Un'installazione ottimizzata mantiene un equilibrio tra queste variabili.

fig. Ombra proiettata da file di moduli in una grande installazione:

Cosa si può fare per sfruttare al meglio la superficie del terreno e ridurre le perdite dovute all’ombreggiamento?

Innanzitutto ridurre l'inclinazione dei moduli fotovoltaici . Le differenze nella produzione annua non sono molto grandi e questa riduzione consente di diminuire la distanza tra i filari. La tabella seguente mostra un esempio di relazione tra angolo di inclinazione, produzione annuale (escluso l'ombreggiamento) e distanza richiesta tra le file:

 Basato sul libro di Bogusław Szymański "Installazioni fotovoltaiche"

Come mostrato nell’esempio sopra, l’angolo di inclinazione che massimizza la produzione annuale peggiora significativamente l’utilizzo dello spazio. Riducendo l'angolo a 20° si diminuisce notevolmente la distanza e si mantiene un'elevata produttività.

Pertanto, in pratica, alle latitudini di Francia, Germania e Polonia, gli angoli di inclinazione dei moduli fotovoltaici non superano i 25°.

Sia la bassa inclinazione dei moduli che gli ampi spazi tra gli array possono essere visti nel seguente video di un parco fotovoltaico da 10,4 MW in Estonia

Calcoli della distanza tra i moduli

Definendo la funzione obiettivo come assenza di ombreggiatura durante le ore 12 del 22 dicembre (cioè del giorno del solstizio d'inverno), la distanza tra i filari può essere calcolata utilizzando le seguenti formule:

fig. Calcoli della distanza tra i moduli fotovoltaici

β - angolo di inclinazione dei moduli fotovoltaici

α - angolo di incidenza nei giorni meno soleggiati dell'anno.

• α = 90° - latitudine - 23,45°

d - altezza della colonna del modulo

x - distanza tra la fine di una riga e l'inizio di quella successiva

• x = sin(β) × d / tg(α)

y - distanza tra le file

• y = d × sin(180° - β - α) / sin(α)

L'applicazione della formula di cui sopra consente di evitare quasi completamente l'ombreggiatura. Tuttavia, ridurre la distanza tra le file può essere utile per un migliore utilizzo dello spazio. Ciò è tanto più significativo quanto più a nord si trova l'installazione. Ciò significa accettare alcune perdite di produzione . Fortunatamente, le tecnologie che limitano queste perdite sono disponibili sul mercato già da diversi anni.

Orientamento e tipologia dei moduli

I moduli fotovoltaici sono divisi in più sezioni da diodi di bypass . L'ombreggiatura profonda provoca la disconnessione dell'intera sezione. Questo viene fatto per la protezione delle cellule.

I moduli vecchi ma ancora incontrati con celle intere venivano completamente scollegati quando la loro parte inferiore era all'ombra. Il montaggio orizzontale ha contribuito a limitare le perdite. L'attuale generazione di moduli fotovoltaici (i cosiddetti half-cut) divide il modulo in 6 sezioni parzialmente indipendenti. Sono adatti sia per il montaggio verticale che orizzontale.

La relazione tra tipologia e orientamento dei moduli e perdite per ombreggiamento è descritta nel grafico sottostante.

 
Nel disegno: Parte del modulo fuori uso a causa di ombreggiamenti dipendenti dal modulo e dall'orientamento

A - celle intere verticalmente - perdite 100%

B - perdite orizzontali delle cellule intere 66%

C - perdita orizzontale a metà taglio 66%

D - perdita verticale del mezzo taglio 50%

Gli ovali indicano i circuiti nel modulo definiti dai diodi shunt. Gli ovali rossi sono circuiti disabilitati dall'ombra.

Dimensioni dei Pannelli Fotovoltaici

Sul mercato troviamo sia moduli fotovoltaici più grandi che più piccoli. Le differenze possono essere piuttosto significative. Tuttavia, di norma, la scelta di moduli più grandi (più potenti) comporta un costo di installazione inferiore in base alla potenza (PLN/kWp).

È opportuno ricordare che: 

• I moduli più grandi generano una corrente più elevata , il che richiede la selezione di un inverter appropriato. La corrente generata dai moduli più grandi supera la capacità degli inverter più piccoli, destinati a installazioni più piccole. Per installazioni <10 kWp è opportuno scegliere moduli fotovoltaici più piccoli.
• I moduli più grandi sono meno durevoli , il che significa che dovrebbero essere acquistati solo da produttori verificati.

Struttura per pannelli fotovoltaici - prezzo delle diverse configurazioni

Le strutture fotovoltaiche standard si dividono in base a:

• il numero di  supporti

I sistemi a supporto singolo sono più economici, ma allo stesso tempo meno rigidi e stabili. Non devono essere utilizzati su terreni con scarsa portanza.

Un supporto	Due supporti
Costruzione a terra T2V	Costruzione del terreno N2V

• disposizione verticale o orizzontale dei moduli
  La scelta spesso dipende da considerazioni estetiche. Il costo di costruzione è simile e, con i moduli tagliati a metà, l'installazione è più resistente all'ombreggiamento indipendentemente dall'orientamento.

Disposizione verticale	Disposizione orizzontale
Struttura del terreno N3V	Struttura del terreno N3H

• Numero di righe
  Il numero di righe, insieme all'orientamento, influisce sull'altezza della colonna del modulo, che a sua volta influisce sulla potenza di un singolo tavolo di installazione.

Una riga	Due file
Struttura del terreno T1V	Struttura di terra N2V
Tre righe	Quattro righe
Struttura del terreno N3H	Struttura del terreno N4H

Come scegliere il materiale per la struttura

La struttura è realizzata in acciaio inossidabile , alluminio e acciaio strutturale regolare rivestito di zinco e magnesio.

Il nostro prodotto di punta ad Altamira sono le strutture in cemento precompresso ( N2V-STR , N3V-STR , N3H-STR , N4H-STR , N5H-STR ), ovvero un composito simile al cemento armato, ma con la differenza che i tondini di acciaio sono sollecitati prima che venga versato il calcestruzzo. Le colonne in cemento precompresso vengono conficcate nel terreno utilizzando un battipalo (che il calcestruzzo normale non potrebbe resistere) e ad esse sono fissati elementi strutturali standard in acciaio.

L'utilizzo del calcestruzzo precompresso consente di ottimizzare i costi di investimento senza ridurre i valori d'uso.

Acciaio strutturale	Calcestruzzo precompresso
Struttura del terreno N4H Garanzia: Costruzione in acciaio S350 - 25 anni Rivestimento (Magnelis®) ZM430 - 25 anni	Struttura del terreno N4H-STR Il calcestruzzo precompresso costa circa il 30% in meno Garanzia: Cemento precompresso e acciaio S350 -30 anni Rivestimento (Magnelis®) ZM430 - 25 anni

 Di seguito è riportato un video che mostra come appare la palificazione di strutture in cemento precompresso.

Come abbinare la struttura fotovoltaica al substrato

Esistono tre modi principali per fissare la struttura al substrato.

I più diffusi sono i sistemi speronati . Convenienti, semplici e veloci da installare, funzionano bene dove il terreno non è paludoso o eccessivamente sciolto.

Su terreni con capacità portante inferiore, i profili avvitati funzionano meglio. Possono essere utilizzati dove è necessaria una maggiore resistenza all'estrazione.

Le fondazioni in calcestruzzo vengono utilizzate laddove il terreno è paludoso, molto sciolto o dove esiste il rischio di collisione con infrastrutture sotterranee (fili o tubi).

Come valutare la qualità, ovvero certificati e standard per le strutture di supporto

La sicurezza d'uso è garantita solo da una struttura realizzata secondo le norme vigenti in un dato Paese. A volte i clienti si chiedono se i prodotti dell’azienda X o Y siano veramente ben fatti. Fortunatamente realizzare strutture in acciaio è un’arte perfezionata negli anni, e possedere le opportune certificazioni rappresenta una doverosa tutela per l’investitore. 

Elenco dei certificati europei di base:

• Esecuzione di strutture in acciaio e alluminio:
  - EN 1090-1+A1 - Principi di valutazione della conformità dei componenti strutturali
  - EN 1090-2+A1 - Requisiti tecnici per strutture in acciaio
  - EN 1090-3 - Requisiti tecnici per strutture in alluminio

• Azioni sulle strutture:
  - EN 1991-1-3 - Carico neve
  - EN 1991-1-4 - Azioni vento

Gli equivalenti nazionali che traducono le norme europee iniziano con una designazione corrispondente. Ad esempio, l’equivalente polacco della EN 1090 è PN-EN 1090. L’equivalente tedesco è DIN-EN 1090 e quello britannico è BS-EN 1090.

Certificati aggiuntivi, applicabili ad alcune strutture:

• EN 1992-1-1 - Strutture in calcestruzzo e calcestruzzo precompresso
• EN 1993-1-1 - regole che definiscono la resistenza delle strutture di acciaio
• EN 1993-1-3 - supplementare per profili e lastre
• EN 1993-1-5 - supplementare per strutture placcate

Resistenza alla corrosione

Le strutture utilizzate in ambienti difficili devono essere testate secondo la norma EN ISO 9227. 

Quando si tratta di strutture in acciaio ricoperte da un rivestimento protettivo, viene valutata anche la durabilità del rivestimento alla corrosione. La classe minima di corrosività per le strutture fotovoltaiche è C3 secondo la norma EN ISO 12944-2. Nelle zone con un inquinamento atmosferico più elevato si dovrebbe cercare un prodotto con una classe di resistenza C4 e, in caso di inquinamento molto elevato, C5.

Il rivestimento che utilizziamo, Magnelis®, ha una classe di resistenza alla corrosione C5 .