archelios Suite: simulazione, dimensionamento elettrico e monitoraggio degli impianti fotovoltaici

La conversione diretta dell’energia solare in energia elettrica mediante la tecnologia fotovoltaica rappresenta ben il 20% dell’energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili in Italia (fonte comunicato GSE). Risultando essere al secondo posto dopo l’idroelettrico (fonte “Fonti rinnovabili in Italia e in Europa”) si conferma essere una tecnologia particolarmente nota e utilizzata in Italia sia mediante impianti di piccola potenza, sia con vere e proprie centrali elettriche.
Facendo un confronto tra i dati del 2018 e quelli del 2017, si nota che nel 2018 il numero complessivo degli impianti installati è aumentato del 6,2%, e che il numero degli impianti installati nel 2018 è stato il 9,8% in più rispetto a quelli installati nel 2017 (fonte GSE – Rapporto Statistico Solare Fotovoltaico 2018).
Una delle ragioni del successo di questo tipo di impianti è da ricercarsi nella flessibilità realizzativa che li caratterizza: i pannelli posso essere installati sul tetto di un edificio seguendo l’inclinazione delle falde, oppure su un tetto piano, mediante apposite strutture di sostegno, oppure possono essere posati sul terreno ed essere eventualmente dotati di sistemi di inseguimento solare.

Fig. 1 – La tecnologia fotovoltaica è utilizzata sia per realizzare piccoli impianti che vere e proprie centrali elettriche 

Come ottimizzare un impianto fotovoltaico

Un impianto fotovoltaico potrebbe essere realizzato per adempiere a un obbligo normativo (per esempio nei casi previsti dal Dlgs 28/2011) oppure come forma di investimento.
Nonostante la progettazione non presenti particolari difficoltà per i professionisti esperti, al fine di massimizzare la redditività dell’investimento, il numero di parametri da ottimizzare è piuttosto elevato. Pertanto, è opportuno utilizzare dei software adeguati per effettuare la simulazione, per dimensionare le apparecchiature elettriche e per monitorare il funzionamento dell’impianto.

archelios™ Suite è una suite di software, sviluppata da Trace Software International e dedicata al settore fotovoltaico, che risponde a ogni esigenza del professionista, qualsiasi sia la fase di sviluppo dell’impianto in cui esso sia impegnato.

La modellazione 3D e la simulazione di un impianto fotovoltaico

Simulare il funzionamento di un impianto fotovoltaico significa utilizzare un modello digitale per valutare quale sarà la produzione di energia elettrica, partendo dai parametri climatici delle località in cui sarà effettuata l’installazione e dalle caratteristiche tecniche dell’impianto stesso. 
L’obiettivo delle simulazioni è quello di valutare l’influenza dei vari parametri e trovare la loro combinazione ottimale per avere il miglior impianto dal punto di vista tecnico ed economico. 
Il motivo per cui è opportuno simulare piuttosto che effettuare prove sperimentali è facilmente comprensibile: in questo modo si possono testare gli effetti di molte alternative diverse, applicandole a un modello digitale, senza sostenere i costi che sarebbero invece necessari per effettuare le stesse prove su un impianto reale.
Il software da utilizzare per le simulazioni deve essere facile da usare, preciso, e deve tenere in considerazione tutti i parametri che influenzano il funzionamento dell’impianto.

Fig. 2 – archelios^TM Pro consente la modellazione 3D dell’impianto fotovoltaico

Tra i parametri che incidono sul rendimento di un impianto fotovoltaico è necessario considerare il posizionamento dei pannelli, da scegliere in modo da ottenere l’esposizione alla radiazione solare con l’inclinazione ottimale e per il maggior numero di ore all’anno. Pertanto, è necessario usare i dati climatici e di irraggiamento solare per la località in cui si prevede di realizzare l’installazione. Inoltre, per studiare correttamente l’effetto delle ombre, è importante tenere in considerazione sia il profilo dell’orizzonte, che l’influenza degli altri edifici e degli ostacoli presenti nei dintorni dell’impianto. 

archelios™ Pro consente sia l’inserimento manuale della località dove sarà costruito l’impianto e le caratteristiche tecniche dello stesso, che la geolocalizzazione e la modellazione 3D, in modo tale da effettuare una simulazione con la massima accuratezza. >> Chiedi una versione di prova gratuita

I dati climatici del database sono disponibili per stazioni meteo in tutto il mondo, e altre stazioni possono essere importate da PVGIS, oppure possono essere create dall’utente importando un file in uno dei diversi formati disponibili, contenente i dati giornalieri e orari.

Fig. 3 – archelios^TM Pro contiene i dati climatici provenienti dal database Meteonorm. L’utente può anche caricare dati climatici da altri darabase.

Il modello tridimensionale può essere disegnato utilizzando SketchUp con uno specifico plugin realizzato da Trace Software per la modellazione dell’impianto fotovoltaico. 
Il posizionamento dei pannelli può essere effettuato su edifici, anch’essi modellabili, o sul suolo. In tal caso, grazie alla specifica funzionalità, è possibile simulare il profilo reale del terreno, analizzarne le pendenze per individuare le zone più adatte al posizionamento dei pannelli e anche stimare il costo di eventuali operazioni di livellamento. 

Fig. 4 – archelios^TM Pro consente la modellazione di impianti con pannelli posati su terreno, seguendone la morfologia

La potenza dell’impianto da modellare, senza alcun limite al suo valore massimo, può essere imputata definendo il numero di pannelli, o la potenza di picco totale, ma è anche possibile chiedere al software di occupare tutta l’area selezionata con il massimo numero di moduli installabili. 
È possibile indicare le distanze tra i pannelli e tra questi e la superficie su cui saranno posati, oltre all’inclinazione e all’azimut. 
Per simulare il posizionamento dei pannelli su strutture di sostegno con inclinazione diversa da quella della superficie, si può scegliere di imporre la distanza tra le file, oppure chiedere al software di determinare la distanza ottimale per contenere gli effetti dell’ombreggiamento.
Nel modello tridimensionale dell’impianto fotovoltaico possono anche essere decise le posizioni degli inverter e disegnati i collegamenti tra gli stessi e le stringhe. 
Per il cablaggio dei pannelli in stringhe sono disponibili dei modelli con degli schemi già predisposti. In alternativa, l’utente potrà creare i propri schemi di cablaggio personalizzati.
È possibile visualizzare anche una rappresentazione 3D dell’impianto attribuendo un colore diverso a ciascuna stringa, in modo tale da visualizzare i vari raggruppamenti effettuati.

Fig. 5 – Rappresentazione 3D dell’impianto con i pannelli collegati in stringhe

Dopo aver completato il modello, la radiazione solare incidente su ciascun pannello viene calcolata e rappresentata graficamente mediante un istogramma la cui colorazione varia dal verde al rosso. Il colore tende al rosso per i pannelli che sono maggiormente influenzati dalle ombre durante l’anno, e quindi sono caratterizzati da un valore inferiore di radiazione solare.

Fig. 6 – Rappresentazione della radiazione solare incidente su ciascun pannello

A questo punto è possibile filtrare i pannelli imponendo un valore minimo di radiazione solare in modo che vengano rimossi automaticamente quelli caratterizzati da una radiazione inferiore a tale valore.

Fig. 7 – Applicando un filtro si possono eliminare i pannelli che ricevono una radiazione solare inferiore a un certo valore 

Un software flessibile con un database di componenti sempre aggiornato

archelios™ Pro viene utilizzato per la progettazione di qualsiasi tipo di impianto fotovoltaico, senza alcun limite di potenza. Si tratta di un software utilizzabile online su qualsiasi dispositivo. Questa caratteristica, oltre ad accrescerne la flessibilità d’uso, consentendo di effettuare simulazioni anche quando non ci si trova in ufficio, e di accedere ai progetti anche quando non si ha un computer a disposizione, garantisce di avere un database sempre aggiornato di tutti i componenti che costituiscono un impianto fotovoltaico, dai pannelli agli inverter, alle batterie, ecc. I nuovi componenti, come per esempio i moduli bifacciali, vengono integrati nel database appena i rispettivi dati tecnici sono resi disponibili dai produttori.

Per calcolare la produzione di energia elettrica, oltre a utilizzare i dati tecnici dei componenti dichiarati dalle aziende produttrici, è possibile personalizzare i valori dei parametri utilizzati nella simulazione, quali per esempio le perdite dovute allo sporcamento, la variazione di rendimento con l’obsolescenza, l’intervallo di temperatura e i valori di ventilazione, i parametri di funzionamento dell’inverter, ecc. Le impostazioni che il professionista ha effettuato per questi parametri possono essere salvate in un modello e caricate in altri progetti, per rendere ancora più rapida la simulazione.

Fig. 8 – E’ possibile creare un modello salvando i parametri della simulazione 

Dopo aver eseguito la simulazione per calcolare la produzione di energia elettrica, archelios™ Pro fornisce i risultati di produzione mensile e annuale sul periodo osservato. Oltre a questi valori, il progettista ha a disposizione anche i risultati riguardanti le perdite nei vari componenti dell’impianto.

Fig. 9 – La simulazione fornisce anche i valori delle perdite energetiche

In questo modo è possibile decidere se mantenere il progetto come appena simulato, oppure se modificare alcuni parametri o sostituire alcuni dei componenti in modo tale da ottimizzare ulteriormente l’efficienza di conversione dell’energia solare in energia elettrica.

Il calcolo del rendimento di un impianto fotovoltaico ottenuto usando archelios™ è stato riconosciuto come il più preciso in un confronto tra diversi software di progettazione fotovoltaica utilizzati dai professionisti, pubblicato da Photon International. Inoltre, un articolo pubblicato dalla rivista internazionale International Journal of Energy and Environmental Engineering afferma che, nel confronto tra alcuni dei più noti software di pianificazione e analisi, archelios^TM è risultato essere quello che fornisce i risultati più accurati per quanto riguarda il calcolo della generazione annuale di energia elettrica da parte di un impianto fotovoltaico. 

Diverse tipologie di impianti fotovoltaici: connessi in rete e in autoconsumo

Un impianto fotovoltaico può essere progettato in modo tale da immettere l’energia elettrica prodotta in una rete di distribuzione. Nel caso di impianti realizzati su edifici, o comunque al loro servizio, è sempre più diffusa la modalità progettuale e realizzativa che prevede il dimensionamento in modo tale che l’energia prodotta sia con buona approssimazione quantitativamente simile a quella utilizzata dall’edificio. Anche gli incentivi recentemente introdotti dal DM 4 luglio 2019 prevedono dei premi, per determinati impianti, sulla quota di produzione netta consumata in sito.

archelios™ Pro consente di valutare l’autoconsumo, di inserire dei dispositivi definendo per ciascuno di essi la potenza e il periodo di utilizzo, e di caricare dei file con i profili di consumo dell’utenza. Inoltre, è possibile selezionare e dimensionare le batterie da collegare come accumulo, e simularne l’utilizzo visualizzando i risultati su un intervallo temporale la cui ampiezza può andare dal giorno all’anno.

Fig. 10 – archelios™ PRO consente di gestire l’autoconsumo e di caricare i profili di fabbisogno

Fig. 11 – La simulazione fornisce anche i profili di autoconsumo e di utilizzo degli accumulatori

L’analisi economica dell’impianto, il confronto tra più alternative e l’output dei risultati

In seguito alla definizione delle caratteristiche tecniche dell’impianto e dopo aver calcolato la produzione e l’autoconsumo, è necessario procedere alla valutazione della convenienza economica dell’impianto. Per effettuare questo passaggio è necessario considerare i parametri che consentono l’attualizzazione dei flussi di cassa, l’importo di eventuali prestiti e il relativo tasso di interesse, l’ammontare degli incentivi se disponibili, e il prezzo di vendita dell’energia.

archelios™ Pro consente di effettuare una simulazione della convenienza economica tenendo conto di tutti questi parametri, e considerando anche diversi profili orari di prezzo dell’energia elettrica, i costi da sostenere per la manutenzione dei componenti dell’impianto. I risultati forniti dal software comprendono i ricavi annui e cumulati, i parametri di LCOE e valore attualizzato netto, il tempo di ritorno dell’investimento e il tasso di redditività interna dell’investimento. In questo modo è possibile ottenere una valutazione completa dell’investimento.
Inoltre, è possibile definire più modelli con diverse alternative di impianto (diversi parametri geometrici e diversi componenti) e confrontarli tra loro.
Al termine delle simulazioni è possibile esportare la relazione con i risultati delle simulazioni, lo schema dell’impianto in formato DXF e file in diversi formati gestibili da altri software.
Inoltre, è possibile esportare il progetto verso archelios™ Calc e verso archelios™ O&M, gli altri software facenti parte della Suite, che consentono rispettivamente il dimensionamento elettrico e il monitoraggio dell’impianto fotovoltaico.

Il dimensionamento elettrico degli impianti fotovoltaici

Dopo aver definito le caratteristiche dell’impianto fotovoltaico è necessario definire le caratteristiche dei componenti elettrici che le costituiscono. In altri termini, è necessario effettuare il dimensionamento.

archelios™ Calc è uno strumento professionale specifico per il dimensionamento elettrico degli impianti fotovoltaici nella loro interezza, dal modulo alla connessione in rete.

Quando il progetto è esportato da archelios™ Pro verso archelios™ Calc, si ottiene automaticamente lo schema unifilare dell’impianto, mono o multi-inverter.

Fig. 12 – archelios™ Calc fornisce lo schema unifilare dell’impianto fotovoltaico

È quindi possibile effettuare il dimensionamento dei cavi, delle protezioni, degli scaricatori e di tutti i componenti che costituiscono la parte elettrica dell’impianto. Inoltre, si può attribuire a ciascun simbolo elettrico un componente presente nel database dei produttori inserito in archelios™ Calc. È sufficiente cliccare sul simbolo nello schema unifilare e il software proporrà una lista dei componenti con le caratteristiche adeguate dal database presente in archelios™ Calc.

Fig. 13 – Con archelios™ Calc si possono dimensionare i componenti elettrici dell’impianto fotovoltaico

È possibile esportare lo schema unifilare con i dettagli del dimensionamento in formato DXF, la distinta dei materiali, l’elenco dei cavi, e la relazione di calcolo in formato PDF.
In questo modo, il progetto dell’impianto fotovoltaico è completato in ogni sua parte.

Il monitoraggio degli impianti fotovoltaici

Un impianto fotovoltaico costituisce un investimento, e come tale deve produrre un reddito e deve essere mantenuto nelle migliori condizioni per tutto il periodo per il quale è previsto il suo funzionamento. A tal fine è necessario poter monitorarne il funzionamento ed essere in grado di verificare se la produzione di energia elettrica in un determinato periodo di tempo corrisponde con quella attesa, valutata in base a una simulazione. 
Quando l’impianto è stato ultimato, è possibile installare dei datalogger che rilevano i dati di produzione. Tali dati possono essere trasmessi a un server apposito ed essere utilizzati per la verifica del corretto funzionamento. 
Una serie di allarmi ci possono segnalare una produzione inferiore a quella attesa, e un funzionamento non regolare di uno o più componenti. Queste informazioni sono fondamentali per prendere delle decisioni riguardanti l’opportunità di effettuare degli interventi di manutenzione predittiva.

archelios™ O&M è un’applicazione web based che consente di visualizzare su un unico portale i dati riguardanti tutti gli impianti fotovoltaici che si sta monitorando.

L’interfaccia grafica è interattiva ed è divisa in due schermate: su una delle due troveremo lo schema 2D/3D e nell’altra i dati.

Fig. 14 - archelios™ O&M: in un’unica interfaccia i dati di tutti gli impianti monitorati

Fig. 15 - archelios™ O&M: il confronto tra la produzione reale e quella prevista consente di programmare gli interventi di manutenzione

archelios™ O&M consente anche di disporre in modo centralizzato di tutte le informazioni disponibili per gli impianti monitorati e per i componenti che li costituiscono. Tali informazioni sono di fondamentale importanza quando si decide di effettuare un intervento di manutenzione.
Grazie a questo strumento sarà possibile mantenere gli impianti fotovoltaici nelle migliori condizioni di efficienza, garantendo che si possa ottenere il vantaggio economico previsto per l’investimento effettuato realizzando gli impianti stessi.

I progettisti che desiderano testare archelios™ possono chiedere una versione di prova gratuita