WHITEPAPER SHADEFIX UN MODELLO MIGLIORE PER L'OTTIMIZZAZIONE DI POTENZA - Superbonus SMA
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WHITEPAPER
SHADEFIX
UN MODELLO MIGLIORE PER L’OTTIMIZZAZIONE DI POTENZA
Executive Summary
Si riportano i risultati di uno studio condotto dalla University of Southern Denmark che mette a confronto l’avanzata tecnologia di
ottimizzazione del fotovoltaico di SMA con altre forme di ottimizzazione, in diverse condizioni, con e senza ombreggiamento. I
risultati chiave permettono di trarre conclusioni in merito alla potenza prodotta, al rendimento energetico nell’arco della vita utile,
all’affidabilità e alla manutenzione, alla sicurezza antincendio e alla sicurezza per gli installatori. Si illustrano, inoltre, le differenze
chiave tra il modo di priorizzare e gestire problemi di sicurezza e sistemi di disinserzione degli impianti in America del Nord e in
Europa, e si esaminano le diverse soluzioni SMA adottate nelle due aree.
Lo stato dell’ottimizzazione di mizzare la potenza dei moduli fotovoltaici Ipotesi attuali
potenza non ombreggiati e per ridurre gli effetti ne- Attualmente si ritiene di poter ottimizzare
Per il proprietario di un impianto fotovoltai- gativi dell’ombreggiamento su una parte la produzione di energia collocando sotto
co, in genere, la produzione di energia sola- del campo fotovoltaico. ciascun modulo fotovoltaico di un sistema
re rappresenta un investimento significativo, piccoli dispositivi elettronici, comunemente
che dovrebbe generare rendimenti finanzia- Le strategie di mitigazione dell’ombreggia- noti come ottimizzatori di corrente conti-
ri affidabili. Tali rendimenti dipendono da mento variano in tutto il mondo e possono nua o MLPE (Module-Level Power Elec-
fattori chiave, tra cui la produzione di ener- dipendere da vari fattori. L’approccio più tronics, elettronica di potenza a livello di
gia (prestazioni) e la produzione nel tempo comunemente utilizzato nel mercato foto- singolo modulo). Questi dispositivi conver-
(rendimento energetico nell’arco della vita voltaico residenziale statunitense consiste tono o variano la potenza – aumentando
utile). Da oltre 30 anni i professionisti del nel cercare di ottimizzare la produzione di e diminuendo la tensione e la corrente –
settore fotovoltaico si concentrano su questi energia in ciascun modulo fotovoltaico, uti- per ogni modulo fotovoltaico, con lo sco-
due criteri per fornire ai clienti soluzioni foto- lizzando un complesso insieme di compo- po di migliorare il rendimento energetico.
voltaiche di qualità superiore. nenti. Mentre questo modello ha mostrato Questa esigenza è richiesta in determinate
vantaggi rispetto a una tecnologia tradizio- condizioni, ad esempio in situazioni di for-
Sebbene, in genere, i sistemi fotovoltaici nale delle stringhe, è stato dimostrato che te ombreggiamento dei moduli fotovoltai-
siano naturalmente progettati per riceve- un moderno approccio di ottimizzazione è ci; ciò, tuttavia, ha un costo. La circostan-
re luce senza ostacoli e senza ombre, in in grado di migliorare il rendimento ener- za appena descritta richiede componenti
alcune situazioni si verifica un ombreggia- getico, riducendo drasticamente il numero complessi, deve essere costantemente in
mento. Per mitigare gli effetti indesiderati di componenti necessari e la complessità funzione ed è applicata a un ambiente osti-
dell’ombreggiamento degli impianti foto- del sistema. Con la conseguente diminu- le per l’installazione, il funzionamento e la
voltaici sono stati investiti tempo e impegno zione dei tassi statistici di guasto, quindi, manutenzione dei componenti elettronici.
e sono state realizzate innovazioni. Anche aumenta l’affidabilità del sistema e il rendi-
se nessuna soluzione può trasformare l’om- mento energetico nell’arco di vita utile del
bra in luce, esistono dei metodi per massi- sistema.
PIÙ ENERGIA CON MENO COMPONENTI
SMA ha sviluppato un modello di ottimiz-
zazione migliore rispetto all’attuale meto- La legge di Lusser
dologia del settore, che attenua gli effetti
dell’ombreggiamento e aumenta la produ- La legge di Lusser è un concetto di ingegneria dei sistemi. È un predittore di
zione di energia, ma con un numero molto affidabilità e indica che l’affidabilità di una serie di componenti è uguale al
inferiore di componenti nel sistema. Perché prodotto dell’affidabilità dei singoli componenti. La legge di Lusser è spesso
è importante il numero di componenti? sintetizzata nell’idea che un sistema in serie è più debole del suo anello più
debole, poiché l’affidabilità di una serie di componenti può risultare inferiore al
Si sa che esiste una forte correlazione tra componente di valore più basso.
la complessità del sistema e i tassi di gua-
sto del sistema. Riducendo la complessità Il concetto si può rappresentare con la seguente equazione:
e il numero di componenti di un sistema si
ridurrà il tasso di guasto complessivo. Con Rs = 0,90 x 0,80 = 0,72
questo obiettivo, SMA ha sviluppato un
metodo di ottimizzazione di potenza che (affidabilità del sistema = affidabilità del componente 1 x affidabilità del
genera più energia nella maggior parte componente 2)
delle condizioni rispetto agli ottimizzatori
tradizionali, aumentando al contempo il Oppure, se si assume che tutti i componenti presentino la stessa affidabilità
rendimento energetico nell’arco della vita (0,99), si ottiene un’affidabilità del sistema di
utile di un impianto fotovoltaico.
1 componente: Rs = 0,99
2 componenti: Rs = 0,99 x 0,99 = 0,98
10 componenti: Rs = 0,99^10 = 0,90
100 componenti: Rs = 0,99^100 = 0,37
IMPIANTO ESEMPLIFICATIVO
circa 2.000 circa 60.000
componenti componenti
200 OTTIMIZZATORI DI POTENZA
(1 PER MODULO)
SUNNY TRIPOWER CORE1 INVERTER
2
STUDIO UNIVERSITARIO COMPARATIVO
Questo modello per la produzione di potenza è stato recentemente verificato dalla University of Southern Denmark, prendendo in
esame tre sistemi diversi: due soluzioni da leader di mercato con ottimizzatori CC a livello di modulo, e una terza soluzione basata sul
sistema proprietario brevettato di ottimizzazione a livello di stringhe di SMA: ShadeFix. Lo studio ha fornito i seguenti risultati.
» L’ottimizzazione di ShadeFix è mi- » L’ottimizzazione di ShadeFix è migliore » Con l’utilizzo di ottimizzatori tradizionali
gliore dell’ottimizzazione tradiziona- dell’ottimizzazione tradizionale a livello a livello di modulo, le perdite di potenza
le a livello di modulo in scenari senza di modulo nei casi in cui non sono presenti nel funzionamento diurno comportano
ombreggiamento. ostacoli all’irraggiamento solare ma il un rendimento energetico complessivo
cielo è coperto: i dispositivi a livello di inferiore rispetto alla soluzione di
» L’ottimizzazione di ShadeFix è modulo consumano più energia di quanta ottimizzazione ShadeFix di SMA.
migliore dell’ottimizzazione tradi- ne producano in maniera incrementale.
zionale a livello di modulo in con- » Gli MLPE tradizionali presentano un
dizioni di luce o ombreggiamento » Gli ottimizzatori tradizionali a livello di rischio relativamente alto di guasto per
moderati. Per condizioni di ombreg- modulo producono maggiore potenza qualsiasi sistema, a causa dell’elevato
giamento moderato si intendono le solo nei casi in cui i moduli fotovoltaici numero di componenti. Nello studio non
situazioni in cui sono presenti ostacoli all’interno della stessa stringa subiscano vengono estrapolate le perdite di potenza
all’irraggiamento solare, come nuvole di un irraggiamento drasticamente diverso dovute ai guasti previsti, ma si sottolinea
passaggio, fronde di alberi, camini, boc- nel corso dell’intera giornata: da il loro impatto sul rendimento di energia
chette di aerazione e abbaini. In questi ombreggiamento completo e permanente, nell’arco della vita utile dell’impianto.
casi gli ottimizzatori CC tradizionali con- a diversi orientamenti sulla stessa stringa e
sumano più energia di quanta ne possa- notevoli mismatch – scenari che spesso
no recuperare. sono il risultato di un’errata progettazione
del sistema.
Lo studio conclude che, nella maggior parte dei sistemi fotovoltaici, l’ottimizzazione di SMA ShadeFix può essere migliore
dell’ottimizzazione tradizionale a livello di modulo CC, consentendo di produrre più energia all’anno e nell’arco della vita
utile prevista del sistema.
a la maggior parte degli minoranza di
impianti FV impianti FV b
rendimento b
rendimento b
rendimento b
Ottimizzatori Ottimizzatori Ottimizzatori Ottimizzatori
convenzionali convenzionali convenzionali convenzionali
SMA a livello di SMA a livello di SMA a livello di SMA a livello di
ShadeFix modulo ShadeFix modulo ShadeFix modulo ShadeFix modulo
senza minimo medio forte
ombreggiamento ombreggiamento ombreggiamento ombreggiamento
3
PRODUZIONE NELLA VITA UTILE, AFFIDABILITÀ E COSTI DI ASSISTENZA
Ottimizzatori di SMA
potenza sul modulo ShadeFix
°C / °F °C / °F
Come osservato nello studio, oltre a 60.000 componenti elettronici, alloggiati molte ore di lavoro sul tetto. La presenza
consentire una maggiore produzione di per la maggior parte in involucri a tenuta di collegamenti e componenti aggiuntivi
energia rispetto alle tecnologie tradizionali stagna posti sotto i moduli FV, esposti aumenta il rischio di guasto e il rischio di
a livello di modulo, l’ottimizzazione tramite all’umidità e ai cicli termici; occorre inoltre incendio a causa di gruppi di componenti
ShadeFix presenta un ulteriore vantaggio: proteggerli da fenomeni atmosferici estremi difettosi, di cui si parlerà più in dettaglio
una drastica riduzione del numero di e organismi dannosi. in seguito. La necessità di manutenzione
componenti. In una tipica installazione introduce, inoltre, un fattore di frequenza
commerciale da 50 kW, un sistema SMA Quando un componente si guasta, nella e casualità imprevedibile nel modello di
può arrivare a contare un totale di circa maggior parte dei casi è necessario business di un installatore, con un impatto
2.000 componenti elettronici, tutti ubicati in prevedere l’intervento di un tecnico su programmazione, logistica e costi di
un involucro di protezione dalle intemperie sul posto, garantire al personale manodopera.
e facilmente riparabili e sostituibili. l’accesso al tetto in sicurezza e la
rimozione dei collegamenti permanenti e Nei mercati in cui le norme impongono
A titolo di confronto, un sistema da 50 semipermanenti, dei moduli fotovoltaici e che i dispositivi MLPE eseguano funzioni
kW dotato di ottimizzatori convenzionali dei sistemi di supporto, con il successivo di distacco, SMA ricorre a dispositivi di
a livello di modulo può comprendere oltre corretto rimontaggio, per un totale di disinserzione rapida certificati SunSpec.
Guasto di un componente =
» Accesso al tetto
» Rimozione delle connessioni
» Rimozione degli infissi
» Rimozione dei moduli FV
» Nuova installazione di
connessioni, infissi e moduli
4Questi dispositivi non eseguono componenti sostitutivi retrocompatibili,
funzioni di conversione di potenza, perché i produttori aggiornano spesso
con una conseguente riduzione della la loro tecnologia proprietaria, con
La SunSpec Alliance è
componentistica MLPE a meno del 50% conseguenti problemi di installazione e di
un’organizzazione commercia-
rispetto ai tradizionali ottimizzatori a funzionamento per i modelli più vecchi.
le che comprende più di 100
livello di modulo. Scegliendo invece
attori del settore fotovoltaico
l’ottimizzazione tramite ShadeFix di SMA, La strategia di ottimizzazione ShadeFix
e dei sistemi di accumulo di
si ottengono una maggiore produzione di si basa su dispositivi più semplici e con
America del Nord, Europa e
energia, maggiori rendimenti energetici meno funzioni elettroniche, in modo da
Asia, con l’obiettivo di defini-
nell’arco della vita utile dell’impianto e una massimizzare il rendimento energetico
re standard per consentire
riduzione dei costi di manutenzione. nella vita utile. Per ottimizzare ulteriormente
l’interoperabilità dei sistemi
le operazioni di assistenza e ridurre le
“plug & play”.
L’incremento di rendimenti energetici necessità di intervento, ShadeFix sfrutta
nell’arco della vita utile dell’impianto è le funzioni automatizzate di SMA Smart
ulteriormente amplificato nel modello Connected, che effettua un controllo
ShadeFix dallo standard di servizio di proattivo dello stato di salute degli inverter,
assistenza tecnica adottato a supporto. avvisa gli installatori di eventuali problemi
Quando ci si affida all’ottimizzazione e invia automaticamente una guida per la
tradizionale a livello di modulo per la riparazione o anche dispositivi sostitutivi,
produzione di energia, è probabile che evitando all’installatore l’intervento diretto
si registri un aumento dei guasti dei sul posto per la diagnosi e dimezzando
dispositivi. Ogni guasto comporta una quindi gli spostamenti per interventi di
perdita di energia per il proprietario assistenza.
del sistema. Inoltre, l’invio di un tecnico
del servizio di assistenza per sostituire
le unità a ogni guasto è inefficiente
e costoso. Gli installatori, in genere,
sostituiscono gli ottimizzatori tradizionali
in blocco, per cui le perdite di energia
incrementali si sommano nel tempo, con
un impatto sull’intero portafoglio di sistemi
di un installatore. Questa strategia di
assistenza comporta, per il proprietario di
un sistema, anche il problema di trovare
SMA Smart
Connected permette
di ridurre della metà
gli interventi sugli
impianti 50%
5DIFFERENZE NELL’APPLICAZIONE DELLE NORMATIVE A LIVELLO GLOBALE
Oltre che per la produzione di energia, sicurezza per i soccorritori. È importante Il segnale di disinserzione rapida SunSpec
spesso si sostiene l’utilità di ricorrere a ridurre la tensione del sistema nel caso in è una semplice ondulazione trasmessa sul-
dispositivi tradizionali a livello di modulo cui i soccorritori si trovino a operare con le linee di alimentazione CC. Il ricevitore,
per eseguire una funzione di disinserzione cavi esposti e un sistema sotto tensione. situato in corrispondenza del modulo foto-
o di sicurezza. Questa funzione, tuttavia, La legislazione americana ha stabilito voltaico, è un dispositivo minimalista che
è applicata in modo diverso in America un limite di 80 V, che può essere ancora migliora la sicurezza dei soccorritori ma
del Nord, in Europa e in altre aree e non pericoloso, ma garantisce comunque affronta anche altri problemi comuni. A dif-
c’è consenso unanime sul suo impatto sulla maggiore sicurezza rispetto alla completa ferenza degli ottimizzatori tradizionali che
sicurezza e sul rischio di incendio, da un assenza di requisiti. Le migliori pratiche convertono costantemente e attivamente
lato, e sulle prestazioni e l’affidabilità del antincendio consigliano di procedere con l’energia, con conseguente consumo di
sistema, dall’altro. Per utilizzare questa estrema cautela e adottare misure per energia, generazione di calore e usura, il
funzione è importante valutare sia il gestire gli incendi in cui è coinvolto un dispositivo SunSpec funziona in modo pas-
risultato che si intende ottenere, sia il suo impianto fotovoltaico. sivo, con un’usura minima e un consumo
impatto sulle persone che interagiscono di energia trascurabile. Può essere prein-
con il sistema. In questo contesto è importante garantire la stallato a terra, riducendo i tempi di instal-
conformità alla normativa con un metodo lazione sul tetto. Infine, un dispositivo che
Nel considerare se applicare o meno che garantisca la massima sicurezza e opera con il segnale SunSpec è progettato
i dispositivi di disinserzione a livello di soddisfi i requisiti di disinserzione senza per essere interoperabile; quindi non sussi-
modulo, di solito si fa riferimento alla sacrificare i rendimenti dell’impianto. sterebbe il problema della manutenzione o
Ricorrendo allo standard di comunicazione sostituzione di una soluzione proprietaria
SunSpec e a un dispositivo di disinserzione qualora un fornitore uscisse dal mercato.
rapida certificato SunSpec, SMA ha
individuato una soluzione per questi È anche importante esaminare le
mercati che riduce il numero di dispositivi ragioni per cui nei mercati globali
elettronici montati sul tetto e riduce i rischi non sono stati adottati regolamenti
sia per i soccorritori che per gli installatori, analoghi.
su molteplici fronti.
DISCUSSIONI IN EUROPA IN MERITO AL RISCHIO DI INCENDIO
Sono questi elencati di seguito i motivi prin- sare più tempo sul tetto, con un conseguen- Costringendo il personale a trascorrere
cipali, nelle aree in cui non è obbligatoria te aumento del rischio di cadute. Secondo i più tempo sul tetto per l’installazione e la
la disinserzione a livello di modulo: rischio dati dell’OSHA del 2018, “Le cause princi- manutenzione dei dispositivi concepiti per
per gli installatori, falso senso di sicurezza pali di incidenti mortali sul lavoro nel settore mitigare un potenziale pericolo di folgora-
e maggiore rischio di incendio. edilizio privato sono le cadute, seguite dall’ zione per i soccorritori, si aumenta in modo
impatto con oggetti, dall’elettrocuzione e significativo il rischio di caduta per gli in-
Quando si implementa la disinserzione a dall’impigliamento”. Le cadute sono la cau- stallatori.
livello di modulo, gli installatori devono pas- sa del 33,5% dei decessi nel settore edilizio.
Oltre al maggiore pericolo per i professio-
nisti del fotovoltaico, l’installazione di nu-
merosi dispositivi elettronici sul tetto viene
Disallineamento dei anche indicata come potenziale rischio
connettori
di incendio, aumentando la probabilità di
Numero di componenti danni alle cose e mettendo a rischio i soc-
Meteo
corritori proprio a causa dell’evento che si
cerca di evitare.
Natura
Fattori di rischio incendio
6STUDIO TÜV RHEINLAND / FRAUNHOFER ISE
In uno studio pubblicato dal Dipartimento impianti fotovoltaici. Ogni componente aggiunto si hanno quattro connettori in
dell’Energia degli Stati Uniti, condotto aggiuntivo aumenta il rischio di punti di più. Triplicando il numero di cavi e contatti
dall’ente per la sicurezza TÜV Rheinland contatto supplementari e di ulteriori cause che possono allentarsi nel tempo o essere
e dalla società di ricerca scientifica e di guasti. Lo stesso vale per l’installazione compromessi a causa di mismatch tra
ingegneristica Fraunhofer Institute for di interruttori nel cablaggio CC. Per quanto diversi produttori, infiltrazione di acqua,
Solar Energy Systems, le autorità hanno riguarda il rischio di incendio in un impianto condizioni atmosferiche e fauna selvatica,
esaminato il rischio di incendio negli FV, tuttavia, gli interruttori supplementari aumenta anche il rischio di guasti e incendi.
impianti fotovoltaici. sono semplicemente un’altra fonte di
guasti”.
Nello studio si osserva che “Spesso i
componenti di sicurezza come i fusibili e gli I moduli FV standard sono dotati di due
interruttori sono integrati sul lato CC degli terminali CC. Per ogni dispositivo MLPE
GUASTI DI ALTO PROFILO IN AMBITO COMMERCIALE
Questa problematica è emersa recente- esemplifica l’importanza di ridurre il numero
mente nell’ambito di una controversia am- di componenti con connettori sul tetto. Con
piamente pubblicizzata tra Walmart, co- un numero inferiore di connessioni, cavi e
losso del commercio al dettaglio, e Tesla, componenti elettronici sul tetto, è possibile
integratore di sistemi fotovoltaici. Walmart ridurre il rischio di guasti o incendi.
ha citato in giudizio Tesla per la rimozione
degli impianti fotovoltaici installati in 240 I mercati affrontano questa problema-
punti vendita a seguito di numerosi incendi. tica in modo diverso in tutto il mondo,
Questa causa è stata riportata dai media. ma vi è una costante: l’ottimizzazio-
Walmart ha avanzato l’accusa di grave ne tramite ShadeFix di SMA realizza
negligenza. I collegamenti sul tetto sono le funzioni di sicurezza attraverso un
diventati uno dei punti focali dell’accusa. modello conforme alle normative, che
massimizza la produzione di energia
Sebbene il caso sia stato risolto in via e i rendimenti energetici nell’arco del-
extragiudiziale e tutte le parti abbiano la vita utile dell’impianto e riduce il
negato la propria responsabilità, la causa rischio per l’azienda.
UN MODELLO DI OTTIMIZZAZIONE MIGLIORE
Mentre l’ottimizzazione tradizionale a livello di modulo è servita a risolvere alcuni dei problemi riscontrati nei primi
impianti fotovoltaici, una tecnologia di ottimizzazione avanzata è ora in grado di aumentare sia la potenza del
sistema che i rendimenti energetici nell’arco della vita utile dell’impianto, migliorando al contempo la sicurezza per
l’installatore e mitigando il rischio negli interventi di assistenza. Maggiori informazioni sui dispositivi di disinserzione
certificati SunSpec e/o ShadeFix di SMA si possono ottenere nei siti www.SMA.de, www.SMA-America.com, o
rivolgendosi alla sede SMA locale.
Fonti
Assoc. Prof. Wulf-Toke Franke, The Impact of Optimizers for PV-Modules, Scientific study, University of Southern Denmark, Mai 2019
Sepanski et al, “Assessing Fire Risks in Photovoltaic Systems and Developing Safety Concepts for Risk Minimization”,
TÜV Rheinland Energie und Umwelt GmbH, 2018.
Occupational Health and Safety Administration www.osha.gov
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