Stringa fotovoltaica: cos’è e come funziona in un impianto solare
Una stringa fotovoltaica è un insieme composto da uno o più moduli fotovoltaici collegati elettricamente in serie per formare un circuito a corrente continua (CC). Questa configurazione consente di aumentare la tensione elettrica dell'insieme mantenendo la corrente approssimativamente allo stesso livello di quella dei moduli collegati. La stringa fotovoltaica costituisce una delle configurazioni elettriche fondamentali di qualsiasi impianto solare fotovoltaico.
In un impianto fotovoltaico, i moduli non funzionano necessariamente singolarmente. Per convogliare l’energia generata verso i dispositivi di conversione di potenza, i moduli vengono raggruppati in stringhe elettriche. Ogni stringa fotovoltaica fornisce una determinata tensione e corrente in base alle caratteristiche dei moduli che la compongono e alle condizioni di funzionamento.
La norma IEC definisce un PV string come un circuito costituito da uno o più moduli collegati in serie. Questa configurazione fa parte dell'architettura elettrica degli impianti fotovoltaici e deve essere progettata tenendo conto di parametri quali la tensione massima dell'impianto, la tensione a circuito aperto, l'intervallo MPPT dell'inverter e le condizioni ambientali del sito.
In un impianto convenzionale, diverse stringhe possono essere collegate in parallelo in una fase successiva per aumentare la corrente disponibile e raggiungere la potenza in corrente continua necessaria. In questo modo, la progettazione elettrica di un impianto fotovoltaico si articola solitamente su diversi livelli: modulo, stringa fotovoltaica, sottocampo o sub-array y campo fotovoltaico.
Come funziona uno stringa fotovoltaico?
O funcionamento de uma cadeia fotovoltaica baseia-se principalmente na ligação em série dos módulos solares. Quando vários módulos são ligados desta forma, a tensão de cada módulo soma-se, enquanto a corrente do circuito continua a ser determinada fundamentalmente pela corrente do módulo que limita o conjunto. Por exemplo, se forem ligados em série dez módulos com uma tensão de funcionamento de 40 V, a tensão nominal de funcionamento do string fotovoltaico será de aproximadamente 400 V. A corrente será, em termos simplificados, a correspondente a cada módulo ligado na cadeia.
Questa configurazione risulta particolarmente utile perché consente di lavorare con tensioni CC elevate e di ridurre la corrente necessaria per trasportare una determinata potenza. Riducendo la corrente, è possibile ridurre anche le perdite resistive nei conduttori, a condizione che la progettazione dell’impianto rispetti i limiti elettrici e termici corrispondenti. Ogni stringa fotovoltaica presenta due parametri particolarmente importanti: la tensione nel punto di massima potenza (Vmp) e la tensione a circuito aperto (Voc). Il valore di Voc è particolarmente rilevante per verificare che la tensione massima dell’impianto non superi la tensione in corrente continua ammissibile dall’inverter o dal resto delle apparecchiature elettriche.
Il National Renewable Energy Laboratory (NREL) utilizza proprio questi parametri per il dimensionamento degli impianti fotovoltaici. Il suo strumento System Advisor Model calcola la tensione a circuito aperto della stringa in base alla tensione Voc del modulo e al numero di moduli collegati in serie.
Quanti pannelli può avere uno stringa fotovoltaica?
Il numero di moduli che può comprendere uno stringa fotovoltaica non è un valore fisso. Dipende dalle caratteristiche elettriche del modulo, dall’inverter, dalla temperatura minima e massima del sito e dall’intervallo di tensione MPPT disponibile. Uno dei principali criteri di progettazione consiste nel garantire che la tensione a circuito aperto della stringa fotovoltaica, nelle condizioni di temperatura più sfavorevoli, rimanga al di sotto della tensione massima in corrente continua ammessa dall’inverter.
Allo stesso tempo, la tensione di funzionamento dello string deve rientrare nell'intervallo MPPT dell'inverter in condizioni operative normali. L'obiettivo è che il punto di massima potenza dei moduli possa essere sfruttato correttamente dal sistema di tracciamento del punto di massima potenza. Per questo motivo, aumentare indiscriminatamente il numero di moduli di uno stringa fotovoltaico non sempre migliora il rendimento. Una stringa troppo lunga può superare la tensione massima consentita dall'inverter, mentre una stringa troppo corta può funzionare al di fuori dell'intervallo ottimale di tracciamento MPPT.
Il dimensionamento deve essere effettuato tenendo conto delle condizioni reali del progetto. La temperatura ha un’influenza particolarmente importante, poiché la tensione dei moduli fotovoltaici varia al variare della temperatura. In linea generale, le basse temperature provocano un aumento della tensione a circuito aperto, mentre le temperature elevate riducono la tensione di funzionamento.
Tensione e corrente di una stringa fotovoltaica
Il rapporto tra tensione e corrente è uno degli aspetti fondamentali per comprendere il comportamento di una stringa fotovoltaica. Quando i moduli sono collegati in serie:
- La tensione dei moduli si somma.
- La corrente del circuito rimane approssimativamente al livello della corrente del modulo.
- La potenza risultante dipende dalla tensione e dalla corrente disponibili in ciascuna condizione di funzionamento.
Se, ad esempio, dieci moduli hanno una tensione di potenza massima di 40 V e una corrente di potenza massima di 13 A, l'insieme avrà circa 400 V e 13 A in condizioni nominali, prima di considerare le perdite e le variazioni ambientali.
La potenza elettrica approssimativa dello stringa fotovoltaica risulterebbe quindi dal prodotto della tensione per la corrente. Questa configurazione consente di progettare campi fotovoltaici con diversi livelli di tensione e potenza, adattati alle caratteristiche degli inverter utilizzati. Nella progettazione effettiva di un impianto solare occorre inoltre tenere conto di parametri quali Voc, Isc, Vmp, Imp, coefficienti di temperatura, tolleranze di fabbricazione e degrado dei moduli.
Stringa fotovoltaica e MPPT
Il rapporto tra una stringa fotovoltaica e il sistema MPPT dell’inverter è particolarmente importante per il rendimento di un impianto solare. MPPT sta per Maximum Power Point Tracking, ovvero “inseguimento del punto di massima potenza”. Si tratta del sistema grazie al quale l’inverter identifica e mantiene il punto di funzionamento che consente di ottenere in ogni momento la massima potenza disponibile dal campo fotovoltaico.
Ogni stringa fotovoltaica presenta una curva caratteristica di tensione e corrente che varia in funzione dell’irraggiamento, della temperatura e delle condizioni operative. L’MPPT dell’inverter opera su queste variabili per individuare il punto in cui la produzione elettrica è massima. Gli inverter possono disporre di uno o più inseguitori MPPT. Quando diversi gruppi di moduli presentano orientamenti, inclinazioni o condizioni di ombreggiamento diversi, è opportuno utilizzare ingressi MPPT indipendenti per evitare che le caratteristiche elettriche di un gruppo influenzino negativamente il funzionamento di un altro.
Il progetto deve garantire che la tensione di funzionamento di ciascuna stringa fotovoltaica rientri nell'intervallo MPPT specificato dal produttore dell'inverter. Il NREL raccomanda di selezionare il numero di moduli per stringa in modo tale che la tensione a circuito aperto sia inferiore alla tensione massima in corrente continua dell'inverter e che la tensione di funzionamento rientri nell'intervallo MPPT.
Stringa fotovoltaica e inverter
L'inverter è l'apparecchiatura incaricata di convertire la corrente continua generata dai moduli in corrente alternata. La configurazione della stringa fotovoltaica deve essere direttamente correlata alle caratteristiche elettriche dell'ingresso CC dell'inverter. I principali parametri da verificare sono la tensione massima CC, l'intervallo di tensione MPPT, la corrente massima per ingresso e la potenza CC ammissibile.
Una progettazione errata può far sì che lo stringa fotovoltaico funzioni al di fuori dell’intervallo ottimale dell’inverter o, in situazioni più critiche, che vengano superati i limiti elettrici stabiliti dal produttore. Negli impianti moderni è comune l’utilizzo di inverter di stringa distribuiti, specialmente in impianti fotovoltaici di determinate dimensioni. In questo tipo di architettura, diverse stringhe vengono collegate direttamente agli inverter installati in prossimità dei campi di moduli, riducendo così alcune esigenze di raggruppamento e distribuzione in corrente continua.
L'NREL ha studiato le differenze tra le architetture basate su inverter di stringa e le soluzioni con inverter centrali in impianti fotovoltaici da diversi megawatt, analizzando aspetti relativi ai costi, alla conversione di potenza e alla configurazione elettrica.
Stringa fotovoltaica negli impianti solari su larga scala
In un impianto fotovoltaico su larga scala possono esserci migliaia di moduli distribuiti in numerose stringhe. La configurazione elettrica dipende dalla potenza dell'impianto, dalla tecnologia dei moduli, dal tipo di inverter, dalla tensione del sistema e dall'architettura del campo solare.
In questi impianti, il corretto raggruppamento di ciascuna stringa fotovoltaica è fondamentale per garantire un funzionamento omogeneo e massimizzare la produzione energetica. Le stringhe possono essere organizzate in sottocampi con caratteristiche elettriche simili. Successivamente, questi gruppi vengono collegati agli inverter e alle diverse fasi di trasformazione e trasmissione dell'energia.
L'architettura può variare notevolmente tra un impianto con inverter centrali e uno basato su inverter di stringa. In entrambi i casi, la progettazione della stringa fotovoltaica deve garantire che i parametri elettrici siano compatibili con le apparecchiature collegate. Inoltre, nei progetti di grandi dimensioni è prassi comune utilizzare sistemi di monitoraggio che consentono di analizzare le prestazioni dei diversi gruppi di stringhe e di rilevare eventuali scostamenti rispetto ai valori previsti.
Differenza tra stringa fotovoltaica e modulo fotovoltaico
Un modulo fotovoltaico è un'unità singola costituita da celle solari interconnesse e incapsulate all'interno di una struttura progettata per resistere alle condizioni ambientali. Una stringa fotovoltaica, invece, è costituita da uno o più moduli collegati elettricamente in serie. Pertanto, il modulo è un'unità fisica di generazione, mentre la stringa rappresenta una configurazione elettrica.
Questa differenza è fondamentale per comprendere l'architettura di un impianto solare. Un campo fotovoltaico può essere costituito da centinaia o migliaia di moduli raggruppati in numerose stringhe che vengono poi collegate tra loro e alle apparecchiature di conversione.
Differenza tra stringa fotovoltaica e array fotovoltaico
Il concetto di array o campo fotovoltaico si riferisce a un insieme di moduli e stringhe che costituiscono una determinata parte dell'impianto. Una stringa fotovoltaica rappresenta quindi un'unità elettrica più piccola all'interno dell'architettura generale. Quando diverse stringhe vengono collegate in parallelo, possono formare un sotto-array, e diversi sotto-array possono a loro volta costituire il campo fotovoltaico completo.
La terminologia può variare leggermente a seconda dell'architettura dell'impianto, ma la struttura gerarchica permette di comprendere come è organizzato elettricamente un impianto: moduli, stringhe, sub-array e array fotovoltaico. Questa struttura risulta particolarmente importante durante le fasi di progettazione, costruzione, messa in servizio, esercizio e manutenzione, poiché facilita l'identificazione dei circuiti e l'individuazione di eventuali guasti.
L'importanza della progettazione dello stringa fotovoltaico
Una corretta progettazione di uno stringa fotovoltaico influisce direttamente sulle prestazioni, sulla sicurezza, sulla disponibilità e sulla durata di un impianto solare. Non si tratta semplicemente di collegare un determinato numero di moduli, ma di garantire che l’intera catena elettrica funzioni entro i limiti stabiliti dai produttori e dalla normativa vigente. Una corretta selezione del numero di moduli consente di mantenere la tensione entro l’intervallo operativo dell’inverter, di sfruttare adeguatamente l’MPPT e di ridurre le perdite derivanti da una configurazione elettrica inadeguata.
È inoltre importante mantenere una configurazione omogenea tra gli string che condividono lo stesso ingresso MPPT. Differenze significative in termini di orientamento, inclinazione o condizioni di irraggiamento possono causare perdite di produzione. Nei progetti su larga scala, l’analisi dello string fotovoltaico costituisce una parte essenziale dell’ingegneria elettrica e della progettazione del campo CC. La configurazione finale deve essere coordinata con la scelta dei moduli, degli inverter, del cablaggio, dei dispositivi di protezione e dei sistemi di monitoraggio.
La normativa internazionale stabilisce requisiti specifici per la progettazione in sicurezza degli impianti fotovoltaici, tra cui il cablaggio in corrente continua, la protezione contro le sovracorrenti, l’isolamento, la messa a terra e i dispositivi di sezionamento. La IEC 62548-1:2023, insieme alla sua modifica del 2025, costituisce un importante punto di riferimento internazionale per la progettazione di campi fotovoltaici.