Gli eventi di sovrairraggiamento solare si verificano molto più spesso di quanto si credesse in passato e possono influenzare negativamente le prestazioni degli impianti solari fotovoltaici, se non addirittura danneggiarli.
Il sovrairraggiamento (o sovrairradianza) solare è definito come l’evento rappresentato dall’irradianza solare globale sulla superficie terrestre maggiore di 1000 W/m2, che è, all’incirca, il valore massimo in un giorno di cielo sereno. Questo evento si verifica in tutto il mondo ed è stato riportato in letteratura per molti decenni, anche se più come curiosità scientifica che come questione di importanza economica o tecnica per i sistemi fotovoltaici.
Uno studio recente [1] ha dimostrato che il sovrairraggiamento solare può influire negativamente sulle prestazioni degli impianti solari fotovoltaici, specialmente quelli su scala industriale, soprattutto quando tale evento dura più di 1 minuto e avviene in presenza di una temperatura ambiente superiore ai 30°C. In realtà, il verificarsi del sovrairraggiamento solare e i suoi effetti sugli impianti solari fotovoltaici non sono ancora ben quantificati, per cui saranno necessari ulteriori studi. Ma vediamo cosa è stato stabilito finora.
Il sovrairraggiamento solare si verifica in presenza di nuvole a causa di un fenomeno, denominato effetto di potenziamento delle nuvole o di bordo delle nuvole, che consiste nella riflessione della radiazione solare dai bordi e dai lati delle nubi frammentate, soprattutto quelle attorno o che coprono parzialmente il disco solare. Da studi realizzati finora, emerge che questo fenomeno accade molto spesso quando il cielo si schiarisce, ma non solo.
Figura 1 - Esempio di evento che provoca il sovrairraggiamento solare
Quando si verifica l’effetto di potenziamento delle nuvole, i valori dell’irradianza solare globale su superficie orizzontale (GHI) o su superficie inclinata (GTI) misurati sulla superficie terrestre superano i livelli tipici in presenza di cielo sereno (valore massimo all’incirca 1000 W/m2) e, persino, l’irradianza solare globale extraterrestre (1367 W/m2).
Dalle misurazioni effettuate nello studio [1], emerge che gli eventi di sovrairraggiamento solare sono in numero minore nei mesi più secchi, e in numero maggiore nei mesi più piovosi, come era logico attendersi per quanto detto prima a proposito dell'effetto di potenziamento delle nuvole. Inoltre, è più probabile che questi eventi si verifichino durante le ore di picco di irradianza solare globale. Tuttavia, eventi di sovrairraggiamento solare sono stati registrati anche nei periodi della giornata con minore irradianza solare globale.
La maggior parte degli eventi di sovrairraggiamento solare rilevati finora dallo studio [1] ha una durata inferiore a 5 secondi, mentre solo il 7% degli eventi di sovrairraggiamento solare su piano orizzontale dura più di 1 minuto (un tempo considerato critico dagli addetti del settore per i motivi che vedremo più avanti). Nel caso di eventi di sovrairraggiamento solare estremo (irradianza solare globale a terra maggiore della costante solare) su superficie inclinata, solo il 3,5% è nell'ordine dei minuti, e solo un evento dura più di 5 minuti.
Fig. 2 - Durata degli eventi di sovrairraggiamento solare rilevati nei siti di misurazione dello studio [1] (BRA FLN - Florianópolis, Brazil; BRA BTS - Brotas de Macaúbas, Brazil; GER BBG - Bernburg, Germany; USA ABQ - Albuquerque, United States; UK LBO - Loughborough, United Kingdom)
Lo studio [1] ha preso in esame anche il verificarsi di eventi successivi: almeno il 49% degli eventi di sovrairraggiamento solare estremo su superficie inclinata si sono verificati meno di un minuto dopo l’evento precedente.
Fig. 3 - Intervallo di tempo tra eventi di sovrairraggiamento solare estremo su superficie inclinata.
Per quanto riguarda i valori massimi di sovrairraggiamento solare registrati finora, abbiamo valori su superficie orizzontale che superano anche i 1800 W/m2.
Fig. 4 - Sintesi delle misurazioni degli eventi di sovrairraggiamento solare su superficie orizzontale per i siti dello studio [1].
Fig. 5 - Sintesi delle misurazioni degli eventi di sovrairraggiamento solare estremo su superficie inclinata per i siti dello studio [1].
Lo studio [1], infine, conclude che gli eventi di sovrairraggiamento solare sono molto più comuni a basse altitudini di quanto precedentemente ipotizzato.
Ma perché i dati rilevati dallo studio [1] sono così importanti?
Il sovrairraggiamento solare può indurre i moduli solari fotovoltaici a generare parametri elettrici in uscita (tensione e intensità di corrente) con valori superiori a quelli di progetto. Infatti, in fase di progettazione, il sistema fotovoltaico viene dimensionato sulla base dei valori dei parametri elettrici in uscita dei moduli solari fotovoltaici quando questi si trovano in condizioni di test standard (condizioni STC). Questi valori sono forniti dal costruttore e si riferiscono ad una irradianza solare globale di 1000 W/m2 , una temperatura delle celle solari di 25°C e di un spettro solare AM 1.5G. In presenza di un sovrairraggiamento solare, e dunque di una irradianza solare globale maggiore di 1000 W/m2, i moduli solari fotovoltaici erogano una potenza elettrica in continua con parametri (tensione e intensità di corrente) maggiori di quelli di progetto. In realtà, questo non è scontato, in quanto tensione e corrente generati dalle celle solari se da un lato sono direttamente proporzionali all’irradianza solare globale incidente sulle celle solari, dall’altra variano in modo inverso alla temperatura delle medesime celle solari. Inoltre, dipendono anche dallo spettro della radiazione solare incidente.
Ma cosa succede quando i parametri elettrici in uscita dei moduli solari fotovoltaici superano i valori di progetto?
Quando le stringhe fotovoltaiche sono percorse da correnti di intensità superiore a quella di progetto, si può avere il guasto dei dispositivi di protezione (fusibili), e quindi l’interruzione dell’operatività dell’impianto solare fotovoltaico con conseguenti perdite di produzione, nonché il surriscaldamento, fino al danneggiamento, dei cavi e dell’elettronica di potenza.
L'aumento della corrente elettrica nelle stringhe fotovoltaiche fa sì, inoltre, che la potenza in uscita del generatore fotovoltaico superi la potenza massima in ingresso dell’inverter (clipping dell’inverter) portando a perdite per sovraccarico dell’inverter, fino a causare danni ai componenti del dispositivo che ne riducono la vita utile.
Con un numero significativo (7%) di eventi della durata di un minuto o più, e con oltre la metà (49%) degli eventi estremi che si verificano in rapida successione, il sovrairraggiamento solare viene considerato un problema serio dai tecnici del settore per le centrali fotovoltaiche su larga scala (sia per la progettazione che per il funzionamento dell'impianto), in quanto, in concomitanza con temperature operative elevate (superiore ai 30°C), si possono avere diffusi guasti ai fusibili e all’elettronica di potenza, nonché il clipping degli inverter. Inoltre, gli eventi di generazione di corrente elevata che si verificano in rapida successione possono generare un effetto additivo che aumenta la temperatura dei cavi, dei fusibili e dei moduli solari fotovoltaici. Tali eventi possono anche influenzare l’efficienza dell’inseguitore MPPT dell’inverter riducendo la potenza erogata.
Come accennato all’inizio, gli effetti del sovrairraggiamento solare sugli impianti solari fotovoltaici non sono ancora ben quantificati, in gran parte perché il sovrairraggiamento solare è un evento, in media, di breve durata (generalmente meno di 5 secondi per episodio), e poi perché il suo impatto sull'elettronica di potenza dell’impianto dipende dalla posizione e dal clima del sito di installazione, in quanto determinano la temperatura operativa dei fusibili e degli altri componenti elettronici, nonché dalla progettazione complessiva del medesimo impianto. Tuttavia, i dati finora rilevati indicano che il sovrairraggiamento solare è un evento che può avere un impatto negativo, se non addirittura dannoso, sulle prestazioni degli impianti solari fotovoltaici. Non c’è dubbio, allora, che saranno necessari ulteriori studi per definire meglio questo impatto e le possibili soluzioni.
[1] Marilia Braga, Aline K. V. de Oliveira, Laurie Burnham, Sebastian Dittmann, Ralph Gottschalg, Tom Betts, Carlos D. Rodriguez-Gallegos, Thomas Reindl, Ricardo Rather: “Solar Over-Irradiance Events: Preliminary Results from a Global Study”