• Articolo , 7 novembre 2008
  • Il monitoraggio dei moduli fotovoltaici

  • Le stazioni ESTER e Meteosolare dei laboratori di fisica tecnica ambientale dell’università Tor Vergata di Roma sono particolamente innovative nel monitoraggio del rendimento dei moduli fotovoltaici. Lo stato dell’arte della ricerca e le metodiche utilizzate

La misura dei parametri climatici e dell’irraggiamento al suolo è di fondamentale importanza per la determinazione di prestazioni e rendimenti di dispositivi che utilizzano la radiazione solare per la conversione in energia elettrica e per il riscaldamento di fluidi; coniugata con l’impiego di modelli di simulazione, sia del clima al suolo che di pannelli fotovoltaici e collettori termici, validabili in ambiente reale, essa fornisce il mezzo indispensabile per lo studio, lo sviluppo e l’ingegnerizzazione di nuove tecnologie di conversione dell’energia solare. Presso i Laboratori di Fisica Tecnica Ambientale dell’Università Tor Vergata di Roma sono attive due stazioni outdoor di cui una, recentemente implementata nell’ambito delle attività di ricerca del Polo Fotovoltaico Organico (CHOSE) della Regione Lazio per lo sviluppo della tecnologia DSC, è dedicata a test e monitoraggi di componenti e modelli fotovoltaici. Il completamento delle infrastrutture prevede una terza stazione dedicata a collettori termici e ibridi. Le stazioni hanno obiettivi di ricerca ma possono anche essere impiegate per effettuare test su moduli commerciali nelle reali condizioni di esercizio.

*Le stazioni sperimentali*
La Fig. 1 mostra la vista di insieme delle installazioni sulla copertura dell’edificio della Facoltà di Ingegneria dell’Università Tor Vergata di Roma: la stazione meteo-solare attiva dal 2003, e la stazione di monitoraggio moduli fotovoltaici completata nel 2007.

_Stazione meteo-solare_
La stazione meteosolare acquisisce dati meteorologici e di radiazione solare dal luglio 2003. E’ costituita da una unità meteo che fornisce dati di temperatura, umidità relativa, pressione, velocità e direzione del vento e piovosità, e da una unità solare che acquisisce separatamente le tre componenti della radiazione solare (diretta, diffusa, riflessa) e la radiazione globale. In Fig. 2 è dettagliata la strumentazione dell’unità solare, costituita essenzialmente da un inseguitore solare sul quale sono posizionati gli strumenti per la misura della radiazione diretta e diffusa (piranometro ombreggiato e pireliometro, Fig. 2a), e da una struttura fissa ospitante due piranometri per la misura della radiazione globale e riflessa (Fig. 2b). I dati sono acquisiti ogni minuto e scaricati su server. I dati meteo sono disponibili anche come dato medio, minimo e massimo su base oraria e giornaliera. La disponibilità su lungo periodo di tali dati è di grande ausilio per valutazioni di disponibilità di energia rinnovabile al suolo.
A titolo di esempio, in Fig. 3 sono riportati i risultati pubblicati di elaborazioni quadriennali di valori semiorari di velocità del vento.

_Stazione di monitoraggio moduli PV_
La stazione di monitoraggio ESTER (Energia Solare TEst e Ricerca), completata nell’ottobre del 2007 per effettuare prove a breve e lungo termine su moduli fotovoltaici di varie tecnologie, in particolare della filiera DSC-Dye Sensitized Solar Cell, è costituita da due strutture. Lo stand 1, orientato a Sud e ad inclinazione variabile, è capace di supportare da 4 a 6 moduli di diverse potenze e dimensioni, fino alle maggiori presenti in commercio; si compone di due telai inclinabili in maniera differenziata, e dispone di una stazione meteo completa puntuale e dedicata (meteo stand 1). Lo stand 2, si compone di un sistema Sun-Tracker bi-assiale, struttura motorizzata capace di inseguire il disco solare per qualsiasi giorno dell’anno; è in grado di sostenere due moduli di grandi dimensioni.

La Fig. 4 mostra l’architettura del sistema di misura per i moduli posizionati sullo stand 1. Un armadio posto sul retro dello stand contiene i dispositivi per la misura dei parametri elettrici (inseguitori del punto di massima potenza MPPT3K) e gli apparati di condizionamento e conversione del segnale per i trasduttori ambientali. Gli strumenti per la misura dei parametri ambientali, rappresentati da esagoni nello schema, sono: piranometri per la misura della radiazione globale sul piano dei moduli e della componente diffusa; cella solare di riferimento per la determinazione dell’effettiva potenza captata dal dispositivo fotovoltaico in prova; sensori per la misura della temperatura dei moduli, delle celle di riferimento e dell’aria ambiente; infine inclinometro e misuratori di velocità e direzione del vento. Tutti i segnali di misura provenienti dai due stand vengono raccolti da un BUS RS485 e inviati ad un datalogger (CR1000) che li memorizza e rende disponibili per lo scaricamento su PC. Il sistema è in grado di acquisire per ciascun modulo in prova, con scansione ogni minuto, i valori di tensione e corrente nel punto di massima potenza, i parametri ambientali di irraggiamento, temperatura moduli, temperatura dell’aria, velocità e direzione del vento; ogni dieci minuti viene altresì tracciata la curva I-V per ciascun modulo. Uno stesso armadio, con la medesima architettura del precedente, è posizionato nelle vicinanze dello stand 2.

_Architettura per la gestione dei dati_
La configurazione di connessione delle stazioni di monitoraggio e meteo-solare, accessibili alle utenze della rete, è schematizzata in Fig. 5. I dati provenienti dalle due stazioni sono scaricati ogni 30
minuti e allocati in un database installato su un server dedicato.

Allo scopo di estrarre in modo flessibile i dati dal database è stato ideato e sviluppato un software (denominato Noria) dotato di un “magazzino hardware” in cui è possibile inserire tutte le tipologie di convertitori e sensori presenti. Prelevando le informazioni dal magazzino è quindi possibile inserire tutti i dati relativi alle prove in corso configurando in modo virtuale gli stand utilizzati. Lo stand viene successivamente visualizzato con tutti i convertitori e sensori configurati per la prova in oggetto e su di esso è possibile posizionare i moduli fotovoltaici e collegarli ai canali di misura relativi.
In questo modo il software registra la configurazione corrente e la utilizza per l’estrazione dei dati relativi. Le interrogazioni al database permettono di ottenere i dati riferiti ad una determinata prova attraverso relazioni logiche fra i vari parametri utilizzati per l’estrazione (per esempio il tempo di acquisizione, la temperatura dell’aria, l’intensità della radiazione ecc). I dati forniti in uscita sono quelli istantanei (minuto per minuto) delle caratteristiche elettriche dei moduli e dei parametri ambientali, e le curve I-V visualizzate. I dati così estratti possono essere successivamente salvati su file di vari formati per un successivo utilizzo.

*Modelli di simulazione*
Presso i laboratori di Fisica Tecnica Ambientale sono stati fin dagli anni ’90 impostati e via via implementati modelli di simulazione degli andamenti istantanei dei parametri climatici misurati e delle prestazioni di diversi dispositivi (collettori solari, pannelli fotovoltaici, aerogeneratori) che consentono, grazie alla possibilità di calibrazione e validazione offerte dalle due stazioni sperimentali, di elaborare in tempi ridotti grandi quantità di dati relative a periodi di tempo comunque estesi. In Fig. 6 è riportato a titolo di esempio un confronto tra dati misurati e simulati su un dispositivo fotovoltaico.

*Conclusioni*
L’auspicato sviluppo in Italia delle tecnologie solari, specialmente fotovoltaica, necessita di approfondite valutazioni circa efficienze e prestazioni realmente ottenibili dai dispositivi in opera. Inoltre la necessità di individuare priorità di investimento per la ricerca richiede mirate valutazioni comparative di possibili filiere tecnologiche, in particolare della tecnologia organica DSC. L’impiego combinato di metodologie di prova e di simulazione offrono sotto questo duplice aspetto le migliori prospettive di successo.

Autori: Angelo Spena ^1,2^ , Cristina Cornaro ^1,2^ , P.Luigi Traini ^1^ , Valentina Annoscia ^1^ , Claudia Di Tivoli ^1,2^

^1^ Dipartimento di Ingegneria dell’Impresa
^2^ CHOSE
Università di Roma Tor Vergata
Via del Politecnico, 1 – 00133 ROMA
spena@uniroma2.it