All’inseguimento del Sole

Fotovoltaico

Il Sole rappresenta una risorsa energetica gratuita e sempre più sfruttata per produrre energia elettrica e termica partendo da una 'materia prima' ecologica. Nel corso dell'intera giornata e nell'arco di un anno, il Sole si trova però in posizioni sempre differenti rispetto alla Terra e, per tale ragione, i pannelli statici, non riescono a sfruttare adeguatamente l'intera irradiazione, poiché il loro rendimento decade sensibilmente quando i raggi non risultano perpendicolari alle celle fotovoltaiche.
Considerando l'elevato costo dei pannelli solari, diventa fondamentale identificare una soluzione in grado di sfruttare il più possibile l'irradiazione solare, disponendosi sempre perpendicolarmente ai raggi che arrivano sulla Terra. È questo l'obiettivo dei cosiddetti inseguitori solari, caratterizzati dalla capacità, come dice il nome stesso, di seguire il Sole nel corso della sua parabola quotidiana. In questo processo è particolarmente interessante l'attività svolta da Ise & Ingeco, un gruppo di aziende specializzate nell'ingegneria e nelle soluzioni meccatroniche, che ha realizzato inseguitori capaci di muoversi, nel corso del giorno, sfruttando un meccanismo basato su due assi di rotazione.
“In realtà”, come spiega Giuseppe Pittari, responsabile ricerca & sviluppo di Ise, “i tracker solari non costituiscono un'idea del tutto nuova, poiché già in passato sono state utilizzate soluzioni analogiche e digitali”. Le prime sono equipaggiate con fotosensori, capaci di identificare la provenienza dei raggi solari, riuscendo a ottenere un sensibile miglioramento dell'efficienza. Si tratta, però, di soluzioni non sempre affidabili, in quanto la presenza di nubi o il riflesso dei raggi sulla superficie del mare o su uno strato di neve possono ingannare questi componenti e vanificare così le attività d'ingegnerizzazione. Anche le soluzioni digitali soffrono una serie di limiti, in quanto le rotazioni prestabilite risultano necessariamente approssimate, poiché molto dipende dalle coordinate in cui è installato un singolo apparecchio e dall'orografia del territorio. Sarebbe quindi necessario, in ogni singola istallazione, provvedere a ottimizzare i parametri del software incaricato di effettuare la guida dell'apparecchio stesso. Una simile ottimizzazione richiede però l'intervento di tecnici qualificati, con sensibili aggravi in termini di costi.

La giusta posizione
Come risulta dall'equazione di Cooper, la posizione del Sole può essere identificata dalla formula:

sen (α) = cos (L) * cos (d) * cos (t) + sen(L) * sen(d)

dove:

α = altezza del Sole
L = latitudine del pannello
d = angolo formato tra Sole ed Equatore
t = angolo formato dal Sole ad uno specifico orario.

Si tratta di informazioni il cui inserimento manuale non risulta sempre preciso, con la conseguenza di non ottimizzare il puntamento e, quindi, veder diminuire l'efficienza potenziale dell'impianto. Alla luce di queste considerazioni, l'idea di Ise è stata quella di creare un inseguitore completamente automatizzato, in grado di disegnare le traiettorie in funzione della reale posizione del ricevitore e di parametri istantanei non alterabili. I dati relativi alla posizione sono oggi disponibili utilizzando un comune ricevitore Gps che, attraverso il satellite, è in grado di conoscere istantaneamente, oltre alla posizione azimutale e zenitale, anche l'orario, la data e la quota cui si trova, inserendo in automatico queste informazioni nell'algoritmo incaricato di gestire il puntamento. I pannelli sono così orientati, in modo ottimale, prevenendo qualunque errore umano, in quanto  sfruttano informazioni oggettive ed elaborazioni effettuate da un controllore proprietario, prevenendo qualunque forma di interferenza esterna. Inoltre, la movimentazione basata su un sistema oleodinamico garantisce un elevato grado di affidabilità e tenuta. Simili caratteristiche consentono di affidare l'installazione dei pannelli ad inseguimento a qualunque azienda in possesso di adeguate competenze di tipo strutturale. Il puntamento degli elementi, infatti, avviene in modo completamente automatico e senza la necessità di ricorrere a personale specializzato. Proprio gli aspetti meccanici rappresentano un fattore determinante per l'incolumità di simili impianti. I piloni cui sono ancorati, infatti, superano i 5 m d'altezza e forti raffiche di vento potrebbero danneggiare l'intera struttura. Nei punti a maggiore sollecitazione sono stati installati dei sensori che, al superamento delle soglie d'allarme, provvedono ad orientare i pannelli per minimizzarne la resistenza al vento. Solo quando le normali condizioni ambientali sono ripristinate, gli inseguitori tornano nella posizione ideale calcolata dall'algoritmo.

Preciso, ma non abbastanza
L'utilizzo di questo sistema di puntamento garantisce un elevato livello di precisione ma, come ha spiegato Pittari nel corso del convegno sul Motion Control organizzato da Anipla all'interno della fiera Save, alla fine dello scorso ottobre a Verona, l'irradiazione che raggiunge un singolo pannello può essere influenzata anche da un fattore come la pendenza del terreno sul quale è installato. Per tale ragione il controllo è retroazionato da un sistema in grado di realizzare l'autoapprendimento nel corso delle fasi operative. Per ottenere questo risultato, i dati relativi alla produzione istantanea di energia elettrica sono registrati ed elaborati in tempo reale da un software dedicato, che consente di raggiungere e conservare sempre il puntamento ideale. In questo modo, dopo aver effettuato l'installazione meccanica dell'impianto, l'equazione di Cooper, alimentata dai dati del sistema Gps, permette di orientare i pannelli nel modo teoricamente ottimale. Successivamente, sulla scorta dei dati di produzione storici incrociati con quelli rilevati in tempo reale, si ottimizza il puntamento.

Efficienza al top
Ad un'analisi superficiale, la realizzazione di un sistema tanto sofisticato potrebbe apparire eccessiva e, per certi versi, poco utile dal punto di vista pratico. Al contrario, i dati sperimentali raccolti da Ise Energy, come fa notare Pittari, “dimostrano che, rispetto ad un sistema statico, i nostri inseguitori automatizzati garantiscono una produzione superiore di oltre il 50% rispetto ai sistemi tradizionali, con risultati percentualmente migliori nelle giornate nuvolose”. Un riscontro interessante, anche se deve necessariamente confrontarsi con investimenti superiori rispetto a quelli richiesti per i comuni impianti statici. “Anche per questa ragione”, continua Pittari, “in fase d'ingegnerizzazione abbiamo cercato di minimizzare i costi dell'impianto, evitando i componenti inutili. I sensori utilizzati, infatti, servono esclusivamente a garantire la sicurezza e la stabilità della struttura meccanica. Mentre ci affidiamo molto all'elettronica di controllo, con soluzioni custom e studiate appositamente per rispondere solo alle effettive esigenze di questi impianti”.

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