Dispositivi di protezione per impianti di energia solare
I sistemi di energia solare fotovoltaica (PLTS) sono sempre più utilizzati in abitazioni, edifici commerciali, industrie e strutture pubbliche. Oltre a rappresentare una fonte di energia pulita e abbondante, i PLTS possono anche ridurre le bollette elettriche e aumentare la sicurezza energetica. Tuttavia, come altri sistemi elettrici, i PLTS sono soggetti a diversi rischi: sovratensioni, sovracorrenti, cortocircuiti, fulmini indiretti, errori di installazione e degrado dei componenti dovuto al calore e agli agenti atmosferici. Pertanto, i dispositivi di protezione sono fondamentali per il funzionamento sicuro, stabile e duraturo del sistema.
Questo articolo analizza i principali dispositivi di protezione negli impianti solari, le loro rispettive funzioni e i principi di installazione comunemente applicati.
Perché gli impianti solari necessitano di protezione?
Un impianto fotovoltaico (PLTS) è costituito da diversi componenti: moduli solari (PV), cavi e connettori in corrente continua (CC), una scatola di giunzione, un inverter, batterie (nel caso di un sistema ibrido/off-grid) e un quadro di distribuzione in corrente alternata (CA) collegato al carico o alla rete elettrica nazionale (PLN). Ogni componente presenta caratteristiche e rischi differenti. Il lato CC può essere caratterizzato da tensioni elevate e correnti intense che continuano a fluire anche in presenza di luce, pertanto la gestione delle interruzioni di corrente e dei guasti differisce da quella del lato CA. Il lato CA, invece, è esposto ai rischi tipici degli impianti elettrici, come sovracorrente, guasti all'isolamento e dispersioni di corrente.
Senza un'adeguata protezione, un piccolo disturbo può degenerare in danni all'inverter, cortocircuiti, incendi o persino mettere a repentaglio la sicurezza dei tecnici e degli occupanti dell'edificio. Una protezione adeguata semplifica anche la manutenzione: il sistema può essere isolato sezione per sezione, il guasto può essere localizzato e i componenti possono essere sostituiti in sicurezza.
1) Fusibili CC e CA
I fusibili sono i dispositivi di protezione più semplici e diffusi. La loro funzione è quella di interrompere la corrente in caso di sovracorrente o cortocircuito. Negli impianti fotovoltaici (PLTS), i fusibili in corrente continua vengono spesso installati su ogni stringa di pannelli (una serie di moduli) prima che la corrente entri nel quadro di combinazione o nell'inverter. Questo è importante perché, se una stringa presenta un guasto, la corrente inversa proveniente dalle altre stringhe può fluire verso la stringa danneggiata e surriscaldare i cavi o i connettori.
Sul lato di uscita dell'inverter viene installato un fusibile CA per proteggere il circuito CA dalle sovracorrenti. Nella scelta del fusibile è necessario considerare la corrente nominale, la capacità di interruzione e l'idoneità per corrente continua o alternata. I fusibili CC non possono essere semplicemente sostituiti con fusibili CA perché l'estinzione dell'arco in corrente continua è più difficile.
2) MCB e MCCB (Interruttore di circuito)
Gli interruttori automatici miniaturizzati (MCB, Miniature Circuit Breakers) e gli interruttori automatici in custodia stampata (MCCB, Molded Case Circuit Breakers) fungono da protezione da sovracorrente e cortocircuito e possono essere utilizzati anche come interruttori manuali. Sul lato CA, gli MCB sono comunemente utilizzati per i circuiti di carico e le linee di distribuzione. Sul lato CC, esistono MCB specifici per tensione continua e caratteristiche di arco elettrico.
Il vantaggio degli interruttori automatici rispetto ai fusibili è che possono essere ripristinati dopo l'intervento (a condizione che la causa del guasto sia stata risolta). Tuttavia, gli impianti fotovoltaici spesso combinano fusibili e interruttori automatici a seconda dei requisiti di progettazione, delle correnti nominali e della configurazione delle stringhe.
3) SPD (Dispositivo di protezione da sovratensione) o scaricatore di sovratensione
I dispositivi di protezione da sovratensione (SPD) proteggono le apparecchiature dalle sovratensioni transitorie causate da fulmini indiretti, commutazioni di carichi elevati o disturbi di rete. Le sovratensioni possono danneggiare inverter, MPPT, sistemi di monitoraggio e dispositivi di comunicazione. Negli impianti solari (PLT), gli SPD vengono generalmente installati su:
– Lato CC: vicino alla scatola di combinazione o all'ingresso dell'inverter (SPD CC).
– Lato CA: sul pannello di distribuzione dell'uscita dell'inverter (SPD CA).
– Percorso di comunicazione: Ethernet/RS485 in presenza di apparecchiature di monitoraggio vulnerabili.
La scelta del dispositivo di protezione dai sovraccarichi (SPD) tiene conto della classe (Tipo 1/Tipo 2), della tensione di sistema e della capacità di corrente di picco. Per le zone ad alto rischio di fulmini o per gli edifici dotati di sistemi di protezione contro i fulmini, il coordinamento tra l'SPD e il sistema di messa a terra è fondamentale.
4) RCD/ELCB/RCCB (Protezione contro le dispersioni di corrente)
Un RCD (Dispositivo a Corrente Residua) o ELCB/RCCB rileva le dispersioni di corrente verso terra, che possono causare scosse elettriche o incendi. Nei sistemi in corrente alternata, gli RCD sono comunemente utilizzati per proteggere le persone dal contatto indiretto. Negli impianti solari, la loro applicazione richiede di considerare il tipo di inverter (con o senza trasformatore) e la possibilità di componenti di dispersione in corrente continua che potrebbero influenzare le prestazioni dell'RCD.
In alcuni sistemi, viene utilizzato un tipo specifico di interruttore differenziale (ad esempio, tipo A o tipo B) in base alle raccomandazioni del produttore dell'inverter e agli standard di installazione. Ciò garantisce che l'interruttore differenziale non scatti inutilmente, ma rimanga efficace in caso di dispersione di corrente pericolosa.
5) Isolatore CC (interruttore di disconnessione CC)
Un sezionatore CC è un interruttore che consente ai tecnici di scollegare in sicurezza la connessione tra i pannelli solari e l'inverter. Ciò è fondamentale durante la manutenzione dell'inverter, la sostituzione dei componenti o le ispezioni. Poiché il lato fotovoltaico continua a generare elettricità se esposto alla luce, un sezionamento sicuro e chiaramente segnalato previene il rischio di scosse elettriche e archi elettrici in corrente continua.
I sezionatori CC devono avere valori nominali di tensione e corrente adeguati ed essere specificamente progettati per la corrente continua al fine di estinguere l'arco elettrico. In genere si trovano vicino all'inverter e, in alcuni modelli, anche nella scatola di giunzione.
6) Protezione della batteria: BMS, fusibili e interruttori automatici
Nei sistemi alimentati a batteria (off-grid o ibridi), la protezione della batteria è fondamentale perché le batterie immagazzinano grandi quantità di energia e possono rilasciare correnti molto elevate durante i cortocircuiti. I dispositivi di protezione più comuni includono:
– BMS (Battery Management System): monitora la tensione di ciascuna cella, la temperatura, la corrente di carica/scarica e si disconnette se i parametri superano i limiti di sicurezza.
– Fusibile o interruttore automatico CC sulla linea della batteria: protegge cavi e apparecchiature dalle correnti di cortocircuito.
– Contattore o relè: consente la disconnessione automatica in caso di condizioni anomale.
Questa protezione aiuta a prevenire il surriscaldamento, il danneggiamento delle celle e il rischio di instabilità termica in alcuni tipi di batterie.
7) Messa a terra e collegamento equipotenziale
La messa a terra non si limita al semplice "collegamento di un cavo a terra", ma è piuttosto un sistema progettato per convogliare in sicurezza le correnti di guasto e di sovratensione, ridurre le tensioni di contatto e aumentare l'efficacia dei dispositivi di protezione da sovratensione (SPD) e della protezione dalle correnti di dispersione. Negli impianti solari, la messa a terra comprende:
– Messa a terra del telaio del modulo e della struttura di montaggio
– Messa a terra dell'inverter e del quadro elettrico
– Collegamento tra parti metalliche per prevenire differenze di potenziale
La progettazione della messa a terra è influenzata dal tipo di sistema (connesso alla rete, ibrido), dal tipo di inverter e dalle normative locali. Una messa a terra inadeguata può rendere inefficace il dispositivo di protezione da sovratensione (SPD) e aumentare il rischio di danni durante le sovratensioni.
8) Protezione termica e gestione dei cavi
Oltre ai dispositivi elettrici, anche i fattori meccanici e termici svolgono un ruolo significativo. I cavi CC esposti al sole, i connettori allentati o un instradamento dei cavi non corretto possono causare punti caldi, degrado dell'isolamento e incendi. Pertanto, alcune importanti misure di protezione includono:
– Selezione di cavi fotovoltaici con isolamento resistente ai raggi UV e alle alte temperature.
– Utilizzo di protezioni per condotti o cavi in aree vulnerabili
– Sistemare i cavi in modo che non siano schiacciati, non si attacchino a spigoli vivi e siano dotati di un sistema di scarico della tensione.
– Verificare che il connettore MC4 (o simile) sia compatibile e installato con la coppia di serraggio corretta.
Sebbene possa sembrare semplice, questa pratica è spesso la chiave per la sicurezza a lungo termine.
Principi per un buon posizionamento dei dispositivi di protezione
In generale, la protezione viene posizionata il più vicino possibile alla potenziale fonte di guasto o alla fonte di energia: fusibili di stringa vicino al combinatore, SPD vicino all'inverter/quadro elettrico, interruttori di batteria vicino alla batteria e sezionatori in punti facilmente accessibili in caso di emergenza. Inoltre, il coordinamento tra i dispositivi è fondamentale: le caratteristiche nominali degli interruttori automatici, dei fusibili e dei cavi devono essere allineate in modo che intervenga il dispositivo più vicino al guasto, anziché arrestare l'intero sistema.
Anche la documentazione è parte integrante della protezione: etichette, schemi unifilari e procedure di arresto di emergenza aiutano tecnici e utenti ad agire in modo rapido e sicuro.
Chiusura
Le apparecchiature di protezione per un impianto fotovoltaico rappresentano un investimento che determina la sicurezza, l'affidabilità e la durata dell'apparecchiatura stessa. Fusibili, interruttori automatici magnetotermici (MCB/MCCB), dispositivi di protezione da sovratensione (SPD), interruttori differenziali (RCD), sezionatori CC, protezione della batteria tramite un BMS e una corretta messa a terra sono elementi chiave che devono essere pianificati fin dalle prime fasi della progettazione. Con una protezione adeguata e un'installazione a norma, un impianto fotovoltaico non solo produrrà energia pulita, ma funzionerà anche in modo sicuro e con interruzioni minime nel lungo periodo.
Se lo desideri, posso adattare questo articolo in una versione più tecnica (con esempi di schemi di protezione e raccomandazioni generali sulle tariffe) oppure in una versione più semplice per il lettore non specializzato.
