Progettazione di sistemi di energia solare: configurazione dei moduli fotovoltaici e progettazione elettrica
Aug 27, 2026
ILProgettazione di sistemi di energia solareè un processo di ingegneria sistematico che coinvolge molteplici aspetti tecnici, tra cui la selezione dei moduli fotovoltaici (PV), il layout dell'array, i collegamenti elettrici principali, la protezione dai fulmini e la messa a terra. Una progettazione scientificamente valida e ragionevole deve tenere conto delle risorse solari, delle condizioni climatiche e delle caratteristiche del sito del progetto, raggiungendo al contempo un equilibrio tra sicurezza, prestazioni economiche ed efficienza nella produzione di energia. Questo articolo si concentra su due aree principali della progettazione di sistemi di energia solare-configurazione dei moduli e dell'impianto elettrico-e riassume le principali considerazioni tecniche e gli standard di progettazione per fornire indicazioni per la pratica ingegneristica.
Progettazione di sistemi di energia solare
1. Selezione del modulo fotovoltaico
Il principio di base per la selezione dei moduli fotovoltaici è quello di scegliere tipi di moduli tradizionali che offrano un elevato livello di maturità tecnica e funzionamento affidabile, tenendo conto anche dell’ambiente naturale che circonda la centrale elettrica, delle condizioni di costruzione e della logistica dei trasporti. La selezione finale dovrebbe basarsi su una valutazione globale per identificare i moduli fotovoltaici con le migliori prestazioni complessive e la maggiore idoneità al progetto.
2. Progettazione delle modalità operative degli array fotovoltaici
Gli array fotovoltaici possono essere installati utilizzando uno dei tre metodi seguenti: inclinazione-fissa, inclinazione-regolabile o sistemi di inseguimento. Il metodo di installazione appropriato deve essere selezionato attraverso un confronto tecnico-economico basato su fattori quali risorse di radiazione solare, condizioni climatiche, ambiente operativo, capacità installata, area e caratteristiche del sito di installazione, caratteristiche di carico e pratiche di funzionamento e gestione.
La configurazione del layout delle strutture di supporto del fotovoltaico dovrebbe essere selezionata in modo appropriato per evitare la concentrazione delle sollecitazioni. È necessario selezionare sezioni trasversali-adatte per ciascun elemento strutturale in base all'entità delle forze applicate. Il consumo di acciaio dovrebbe essere ridotto al minimo garantendo al tempo stesso che la resistenza di tutti gli elementi strutturali sia pienamente utilizzata.
Per tutta la vita progettuale, il sistema di supporto fotovoltaico deve rimanere strutturalmente sicuro e affidabile ed essere in grado di resistere ai carichi di vento e neve, nonché agli effetti ambientali. È necessario considerare anche la fattibilità dell'installazione in modo che i risultati ottimali di costruzione del progetto possano essere raggiunti al minor costo possibile. Quando si progetta e costruisce una centrale fotovoltaica, la scelta del tipo di struttura di supporto dovrebbe essere adattata alle condizioni locali attraverso una valutazione globale. Un confronto tra diversi tipi di strutture di supporto fotovoltaiche è fornito nella tabella 1.
Tabella 2
| NO. | Articolo | Fisso Struttura di supporto |
Asse-singolo orizzontale Struttura di monitoraggio |
Asse-singolo inclinato Struttura di monitoraggio |
Doppio-asse Struttura di monitoraggio |
Fisso Struttura di supporto con inclinazione-regolabile |
| 1 | Resistenza al vento e Civile Fondazione |
Progettato per il caso di carico determinante in base alla velocità massima del vento locale per determinare la resistenza al vento della struttura di supporto | La resistenza al vento è la stessa della struttura fissa di sostegno; i requisiti di carico effettivi-sono inferiori a quelli della struttura di supporto fissa | La resistenza al vento è la stessa della struttura fissa di sostegno; i requisiti di fondazione sono più elevati rispetto a quelli del tracker orizzontale a asse singolo- ma inferiori rispetto a quelli della struttura di supporto fissa | La resistenza al vento è la stessa della struttura fissa di sostegno; nel caso di carico in vigore, i requisiti di base sono simili a quelli del tracker ad asse singolo-inclinato | La resistenza al vento è la stessa della struttura di sostegno fissa |
| 2 | Installazione Requisiti |
Nessuna parte in movimento; requisiti di precisione di installazione-bassi e installazione relativamente semplice | Sono presenti parti mobili; l'installazione richiede una maggiore precisione ed è più complessa rispetto alla struttura di supporto fissa | Sono presenti parti mobili ed è stata aggiunta un'inclinazione rivolta a sud-; i requisiti di precisione dell'installazione sono leggermente più elevati e l'installazione è leggermente più complessa rispetto alla struttura ad asse singolo-orizzontale | Componenti di tracciamento a doppio asse e più parti mobili; requisiti di precisione di installazione-più elevati e installazione più complessa | Simile alla struttura di sostegno fissa; la trave principale è una componente mobile, ma ci sono meno parti mobili rispetto alle strutture di tracciamento |
| 3 | Tecnico Scadenza |
Sistema semplice, ampiamente utilizzato e tecnicamente maturo | Tecnologia matura, con applicazioni domestiche pari a circa la scala GWp | La tecnologia ad asse singolo-inclinato aggiunge inclinazione all'installazione; leggermente meno matura della struttura ad asse singolo-orizzontale | La tecnologia più complessa; nessun caso di richiesta-su larga scala a livello nazionale o internazionale | Tecnologia altamente matura |
| 4 | Applicabile Latitudine |
Nessuna restrizione | Regioni da media- ad alta-latitudine | Nessuna restrizione | Nessuna restrizione | Regioni a bassa-latitudine |
| 5 | Affidabilità | Semplice e affidabile | La qualità e l'affidabilità delle principali apparecchiature di azionamento e controllo devono essere controllate; l'affidabilità è inferiore a quella della struttura di supporto fissa | L'aggiunta dell'inclinazione rende le condizioni operative leggermente più complesse; l'affidabilità è leggermente inferiore a quella della struttura ad asse singolo-orizzontale | I giunti universali sono soggetti a danni e il sistema di controllo è complesso, il che comporta un tasso di guasto molto più elevato rispetto alle strutture di tracciamento ad asse singolo e una bassa affidabilità | L'affidabilità è vicina a quella della struttura di supporto fissa e superiore a quella delle strutture di tracciamento |
| 6 | Superficie territoriale per MW |
Circa 25 mu su terreno pianeggiante |
Circa 30 mu; la superficie terrestre aumenta di circa il 15% |
40 mu; superficie terrestre aumenta di circa il 50% |
50 mu; superficie terrestre aumenta di circa il 100% |
Circa 28 mu; la superficie terrestre aumenta di circa il 10% |
| 7 | Riferimento Unità Costo |
0.3–0.4 yuan/Wp |
Aumento di 0,3–0,4 yuan/Wp rispetto a la struttura fissa di sostegno |
Aumento di 0,4–0,5 yuan/Wp rispetto a la struttura fissa di sostegno |
Aumento di 1,4–2,5 yuan/Wp rispetto a la struttura fissa di sostegno |
Aumento di 0,1–0,2 yuan/Wp rispetto a la struttura fissa di sostegno |
| 8 | Generazione di energia Beneficio |
Presupposto al 100% | 110%–120% | 120%–125% | 130%–140% | 100%–110% |
| 9 | 25 anni di manutenzione e manutenzione Confronto dei costi |
Oltre 25 anni, praticamente esente da manutenzione- |
Da oltre 25 anni, rispetto alla struttura di supporto fissa, le principali aggiunte riguardano l'ispezione di routine e la lubrificazione delle apparecchiature meccaniche | Oltre 25 anni, leggermente più complesso del sistema di monitoraggio orizzontale ad asse singolo- | Da oltre 25 anni, il sistema di tracciamento è il più complesso e richiede una formazione approfondita | È necessaria la regolazione manuale; la regolazione viene effettuata quattro volte all'anno; il funzionamento è relativamente semplice |
3. Invertitori e scatole combinatori
Gli inverter utilizzati nelle centrali fotovoltaiche comprendono principalmente tre tipologie: inverter centrali, inverter di stringa e inverter distribuiti. Gli scenari applicabili per questi tre tipi di inverter comunemente utilizzati possono essere determinati facendo riferimento alla Tabella 2.
Quando si selezionano gli inverter, è necessario prestare particolare attenzione al track record del produttore nel settore, al servizio post-vendita, ai futuri costi di aggiornamento delle apparecchiature e alla ridondanza degli aggiornamenti. L'inverter deve essere selezionato in base alle condizioni effettive del sito e ai requisiti del progetto. Dovrebbe essere data priorità ai modelli di inverter con elevata efficienza di conversione.
Tabella 2
| Parametri tecnici | Invertitore centrale | Invertitore di stringa | Invertitore distribuito |
| Scenari applicabili | Adatto a scenari con angoli dei moduli coerenti e scale di progetto relativamente grandi | Adatto per applicazioni con differenze significative negli angoli dei moduli o su scale di progetto relativamente piccole | Adatto a scenari con differenze significative negli angoli dei moduli e scale di progetto relativamente grandi |
4. Layout del array fotovoltaico nella progettazione del sistema di energia solare
Il rapporto di capacità tra il campo fotovoltaico e gli inverter in una centrale fotovoltaica dovrebbe essere determinato attraverso un confronto tecno-economico, prendendo in considerazione fattori globali come il tipo di installazione del campo fotovoltaico, le condizioni del sito, le risorse di energia solare e varie perdite del sistema. Si raccomanda che il rapporto tra la capacità installata del campo fotovoltaico e la capacità nominale dell'inverter rispetti i seguenti requisiti:
Regioni con risorse solari di classe I: generalmente non dovrebbero superare 1,2;
Regioni con risorse solari di Classe II: generalmente non dovrebbero superare 1,35;
Regioni con risorse solari di classe III: generalmente non dovrebbero superare 1,5.
La progettazione della spaziatura tra le strutture di supporto tiene conto principalmente dell'ombreggiamento tra le strutture adiacenti. Nell’emisfero settentrionale l’orientamento ottimale per i moduli fotovoltaici è verso sud. La distanza minima deve essere determinata secondo il seguente criterio: dalle ore 9:00 alle ore 15:00 ora solare del solstizio d'inverno, la proiezione dei moduli della prima-fila in direzione nord non deve raggiungere il bordo inferiore dei moduli della fila posteriore. In altre parole, non dovrebbero esserci ombre in direzione nord-sud.
Questo criterio si basa sulle condizioni operative estreme del solstizio d'inverno, quando l'angolo di elevazione solare è al minimo e le ombre sono al massimo. Garantisce che la resa dell'impianto non sia influenzata da ombreggiamenti in nessun periodo dell'anno.
La progettazione dello spazio tra i moduli fotovoltaici e il suolo-ovvero, l'altezza del punto più basso dei moduli dal suolo-è influenzata principalmente da fattori quali i requisiti per l'uso combinato del terreno all'interno del sito fotovoltaico, i requisiti di controllo delle inondazioni-, l'ombreggiamento dei moduli da parte di ostacoli circostanti, la copertura vegetale del suolo e le applicazioni "PV +". Quando si utilizzano moduli fotovoltaici bifacciali, è necessario prendere in considerazione anche l’efficienza della generazione di energia.
Il vantaggio dei moduli fotovoltaici bifacciali rispetto ai moduli monofacciali è che maggiore è la quantità di luce ricevuta sul lato posteriore, maggiore è il guadagno bifacciale. I fattori principali che influenzano il guadagno di energia sul lato posteriore- includono l'albedo del terreno, l'altezza della struttura di supporto, le condizioni di irradiazione e la spaziatura tra le file. I benefici che ne derivano variano con le stagioni.
Nel determinare la distanza minima tra le strutture di supporto del fotovoltaico e il suolo, i fattori di cui sopra dovrebbero essere considerati in modo globale, mentre la sicurezza e le prestazioni economiche dovrebbero essere bilanciate il più possibile. Aumentare in misura adeguata l’altezza minima dei moduli fotovoltaici dal suolo può migliorare l’efficienza della produzione di energia e aumentare in una certa misura la resa energetica. Aumenta però anche il costo delle strutture di sostegno e delle fondazioni, con un certo impatto sulla performance economica del progetto.
Progettazione elettrica della progettazione di sistemi di energia solare
1. Collegamento elettrico principale
Una centrale fotovoltaica è costituita da una o più unità di generazione di energia. La connessione elettrica principale determina il modo in cui queste unità di generazione sono interconnesse e raccolte. Dopo la trasformazione locale step-up, l'energia generata da ciascuna unità viene raccolta e immessa nella sbarra collettrice della sottostazione step-up.
Il livello di tensione della sbarra collettrice-della sottostazione ascendente non dovrebbe solo essere conforme alla struttura e alla pianificazione-a lungo termine della rete elettrica locale, ma dovrebbe anche essere determinato da fattori di bilanciamento globale come la capacità della centrale fotovoltaica, l'investimento iniziale per la costruzione e i costi di funzionamento e manutenzione. A seconda del tipo di centrale fotovoltaica, i livelli di tensione delle sbarre comuni includono 0,4 kV, 6 kV, 10 kV e 35 kV.
Il collegamento elettrico principale della centrale può essere pianificato secondo il programma di costruzione. Se la centrale elettrica è costruita e messa in servizio in una fase singola e ha un solo punto di connessione alla rete-, è generalmente possibile adottare una configurazione a singola-sbarra collettrice. Se la centrale elettrica è costruita e messa in servizio in fasi o ha due o più punti di connessione alla rete-, una configurazione a singola-sbarra collettrice sezionata è generalmente più appropriata.
2. Apparecchiature per la distribuzione dell'energia
La disposizione delle apparecchiature di distribuzione dell'energia dovrebbe essere selezionata dopo un'analisi approfondita di fattori quali la posizione geografica del progetto, le condizioni climatiche locali, l'area disponibile del sito e l'altitudine. L'apparecchiatura può essere installata all'interno o all'esterno a seconda delle condizioni specifiche.
Attualmente, le apparecchiature di distribuzione dell'energia da 10–35 kV nelle centrali fotovoltaiche domestiche sono generalmente installate all'interno. La configurazione principale è un quadro elettrico CA corazzato, estraibile,-con custodia in metallo. In alcune regioni, le apparecchiature di distribuzione di energia da 10–35 kV possono anche utilizzare quadri chiusi in metallo- isolati in gas con esafluoruro di zolfo (SF₆) laddove ciò sia tecnicamente ed economicamente giustificato, in particolare per la protezione dalla nebbia salina, un isolamento migliorato o un utilizzo ridotto del territorio.
Negli ultimi anni, con lo sviluppo della tecnologia, le apparecchiature di distribuzione dell'energia di tipo cabina prefabbricata- sono diventate sempre più comuni. Le stazioni dei quadri possono essere prefabbricate in fabbrica e assemblate modularmente in cantiere. Questo approccio riduce-il lavoro di costruzione e messa in servizio in loco, abbrevia il periodo di costruzione, risparmia energia, protegge l'ambiente e riduce l'area di terreno necessaria per la stazione del quadro. Può essere data priorità laddove tecnicamente ed economicamente appropriato.
3. Protezione contro i fulmini e messa a terra della progettazione di sistemi di energia solare
All’interno di una centrale fotovoltaica viene normalmente installata una rete principale di terra che copre l’intero campo fotovoltaico. Il confine esterno della rete di terra principale dovrebbe generalmente corrispondere ai confini del campo fotovoltaico e formare un anello chiuso.
La rete di terra principale è costituita da una rete formata collegando conduttori di terra orizzontali nelle direzioni trasversale e longitudinale alle strutture di supporto dei moduli. Gli elettrodi di messa a terra verticali devono essere distribuiti uniformemente lungo i bordi e all'interno della griglia di messa a terra. Le fondazioni delle strutture portanti dei moduli dovrebbero essere utilizzate, ove possibile, anche come elettrodi di messa a terra naturali.
La rete di terra principale di una centrale fotovoltaica utilizza generalmente acciaio piatto zincato o acciaio tondo come conduttore di terra principale. La resistenza di terra della rete di terra principale nel campo fotovoltaico non deve superare i 4 Ω.
Per la messa a terra tra i moduli fotovoltaici e le relative strutture di supporto metalliche, il metodo più comune consiste nello stabilire innanzitutto una connessione affidabile tra i telai metallici dei moduli fotovoltaici adiacenti utilizzando conduttori in rame, quindi collegare entrambe le estremità di ciascuna fila di moduli fotovoltaici alla struttura di supporto metallica.
Per alcuni progetti fotovoltaici su tetto in cui i conduttori di rame di messa a terra sono scomodi da installare, è possibile utilizzare connettori metallici come conduttori tra i moduli e le strutture di supporto. Quando si adotta questo metodo, i connettori devono essere dotati di rondelle in acciaio inossidabile-in grado di penetrare la pellicola protettiva di ossido di alluminio- sui telai dei moduli, garantendo così una buona continuità elettrica tra i telai dei moduli e le strutture metalliche di supporto.
Le strutture portanti dei moduli possono essere prima collegate equipotenzialmente alle strutture portanti adiacenti per formare un gruppo di terra, che viene poi collegato alla rete di terra. Per garantire l'affidabilità, ciascun gruppo di messa a terra della struttura di supporto- deve essere collegato alla griglia di messa a terra in almeno due punti. Questi punti di connessione dovrebbero essere installati su entrambe le estremità di ciascuna fila di strutture di supporto.
Una rete di messa a terra equipotenziale ad anello-a forma di anello dovrebbe essere installata attorno a ciascun trasformatore elevatore locale-nel campo fotovoltaico e collegata in modo affidabile alla rete di messa a terra principale del campo fotovoltaico. Quando un trasformatore elevatore locale-utilizza un trasformatore di tipo box-con un involucro metallico integrale, l'involucro deve essere collegato in modo affidabile alla rete di messa a terra equipotenziale in almeno due punti. Anche tutte le parti metalliche esposte del trasformatore a scatola-, comprese le scale metalliche, devono essere collegate alla rete di terra.
4. Selezione dei cavi e installazione della progettazione del sistema di energia solare
I cavi installati tra i moduli fotovoltaici e i quadri di stringa o gli inverter di stringa in una centrale fotovoltaica sono generalmente cavi fotovoltaici dedicati. La loro resistenza alle radiazioni ultraviolette, agli agenti atmosferici, alle prestazioni di ritardante di fiamma-e altre caratteristiche devono essere conformi ai requisiti degli attuali standard di settore.
Per i progetti fotovoltaici distribuiti, i cavi utilizzati negli edifici fotovoltaici-integrati o montati-sugli edifici devono avere buone prestazioni-ritardanti di fiamma. I conduttori in rame sono generalmente selezionati per la loro favorevole conduttività elettrica.
Per le centrali elettriche fotovoltaiche-di scala industriale, i cavi sono generalmente distribuiti su una vasta area. Pertanto, i cavi vengono generalmente installati utilizzando l'interramento diretto, nel qual caso è necessario utilizzare cavi armati. In particolare, per progetti in cui i terreni occupati dalle aree dei moduli fotovoltaici sono dispersi, è possibile utilizzare linee aeree da 10 kV o 35 kV come circuiti di collettori.
Poiché i pali e le torri all'interno dell'area del campo fotovoltaico possono proiettare ombre sui moduli fotovoltaici, la portata dell'ombra delle linee aeree deve essere calcolata durante la pianificazione della linea. Il layout della linea deve essere coordinato con il layout dell'array fotovoltaico per ridurre al minimo l'ombreggiamento dei moduli.
Quando si determina la lunghezza dei cavi CA e CC in un sistema fotovoltaico, è necessario prendere in considerazione sia la portata del cavo che la caduta di tensione del sistema. La caduta di tensione CA in un sistema fotovoltaico non dovrebbe generalmente superare il 3%, mentre la caduta di tensione CC non dovrebbe generalmente superare il 2%.
Se la caduta di tensione non soddisfa i requisiti applicabili, è necessario aumentare l'-area della sezione trasversale del cavo in questione oppure regolare le posizioni relative dell'apparecchiatura per accorciare il percorso del cavo e mantenere la caduta di tensione entro i limiti specificati.
5. Sistema di monitoraggio
Le centrali fotovoltaiche in Cina generalmente funzionano senza personale o con personale minimo. Alcune centrali elettriche fotovoltaiche-montate a terra hanno iniziato ad adottare il monitoraggio remoto per sostituire il funzionamento-con personale in loco. Durante la fase di progettazione, la fase corrente del progetto viene normalmente considerata come la considerazione principale, mentre vengono prese in considerazione anche le fasi precedenti e successive. Il sistema dovrà essere compatibile con i livelli di automazione e di esercizio e gestione adottati dalla centrale.
La maggior parte delle centrali elettriche fotovoltaiche in Cina utilizza sistemi di monitoraggio separati per la sottostazione-up o la stazione di comando e l'area dell'array fotovoltaico. Questo approccio ha il vantaggio di richiedere solo una quantità limitata di scambio di informazioni tra il sistema di monitoraggio della sottostazione step-up e il sistema di monitoraggio del fotovoltaico, rendendo l'implementazione relativamente semplice. Presenta però anche lo svantaggio di un basso utilizzo delle informazioni.
Dopo l'adozione di un sistema di monitoraggio intelligente, una centrale fotovoltaica può ottenere un'acquisizione completa dei dati e un monitoraggio panoramico dell'intera struttura. Il sistema può stabilire un’integrazione verticale con i principali sistemi come i sistemi di dispacciamento e di gestione della produzione, fornendo allo stesso tempo connettività orizzontale con le principali apparecchiature di automazione all’interno della centrale elettrica.
Un sistema di monitoraggio intelligente può anche supportare funzioni quali il processo decisionale sulle operazioni economiche-, la diagnosi online e il ripristino automatico, l'ispezione automatica e l'analisi dei guasti e l'avviso di guasto.
Conclusione
ILProgettazione di sistemi di energia solarerichiede un coordinamento completo in tutte le fasi, compresa la selezione dei moduli, il layout dell'array, i collegamenti elettrici, l'installazione dei cavi e i sistemi di monitoraggio. La soluzione ottimale dovrebbe essere selezionata in base alle condizioni locali e ai requisiti del progetto.Con il continuo progresso della tecnologia fotovoltaica e i crescenti livelli di intelligenza, la progettazione del sistema si trova ad affrontare requisiti più elevati e maggiori possibilità. La pianificazione scientifica e la progettazione dettagliata sono essenziali per garantire il funzionamento sicuro e stabile di una centrale elettrica e ottenere una forte performance economica.
