L'indipendenza elettrica dei camper viene dal sole!

IL SISTEMA FOTOVOLTAICO PER IL CAMPER

Scopri come è fatto un impianto fotovoltaico per i camper

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di Lorenzo Gnaccarini

In occasione delle visite alle aziende del settore, tra le quali il principale produttore di impiantistica elettrica ed elettronica per veicoli ricreazionali, ho potuto approfondire tecnicamente come vengono realizzati i moduli fotovoltaici e i relativi dispositivi elettronici, che ci permettono di avere le batterie del camper sempre cariche grazie alla trasformazione dei raggi del sole in elettricità.

Abbiamo trattato questo argomento durante la DIRETTA LIVE del 15 aprile 2020, se l'avete persa potete rivederla QUI.

Come è fatto un impianto fotovoltaico per camper

Un impianto fotovoltaico per camper è composto essenzialmente da uno o più moduli fotovoltaici ed un regolatore di carica. Per tenere sotto controllo la produzione del sistema fotovoltaico si può aggiungere un display, mentre per ottimizzare la carica di più batterie si può aggiungere un parallelatore.

MODULO FOTOVOLTAICO

I moduli fotovoltaici sono costituiti da celle di silicio o di altro materiale in grado di convertire la luce solare in energia elettrica. Le celle vengono collegate tra loro con dei nastrini metallici in serie e parallelo ed incollate su un telaio rigido o flessibile, così da fomare un unica grande superficie: il modulo fotovoltaico.

Ci sono vari tipi di celle e si differenziano tra loro per le differenti modalità di produzione. A seconda del tipo di cella, si può avere rendimenti differenti e differenze di prezzo anche significative. Le potenze variano a seconda delle dimensioni e tipo di celle del modulo fotovoltaico: si parte con piccoli moduli da 10 W fino ad arrivare ai grandi pannelli da oltre 120 W.

Le prestazioni di un modulo fotovoltaico dipendono da tanti fattori, i principali sono:

• il rendimento dei materiali, che varia a seconda del tipo di silicio (21% monocristallino, 16,7% policristallino, 8,5% amorfo)
• il tipo di irraggiamento (se tutte le celle sono esposte al sole oppure se alcune sono coperte) e angolazione della luce solare (se i raggi del sole sono ortogonali alle celle od obbliqui)
• temperatura di esercizio (più il pannello è caldo, più cala il rendimento)

Inoltre, le prestazioni del modulo fotovoltaico cala leggermente negli anni: circa il 10% dopo 10 anni e circa il 20% dopo 25 anni. Ciò significa che un modulo da 100W, dopo 10 anni produrrà una potenza di 90W mentre dopo 25 anni ne produrrà 75W.

Tipologia di celle fotovoltaiche

Le tipologie di celle più diffuse ed utilizzate per la produzione di moduli fotovoltaici sono le celle monocristalline, policristalline e amorfo.

Celle monocristalline

Le celle in silicio monocristalline si identificano visivamente per la forma con gli angoli smussati, proprio perché vengono realizzate "affettando" un cilindrico di silicio monocristallino di elevato grado di purezza. I cristalli vengono fusi e poi fatti solidificare in modo da ottenere un lingotto di forma cilindrica costituito da un monocristallo, avente un diametro compreso tra i 13 e i 20 cm e un’altezza di circa 200 cm. Il cristallo viene successivamente tagliato a fette sottili dello spessore di 250 ÷ 350 µm, dette celle, che andranno a costituire i moduli o pannelli fotovoltaici, ottenuti collegando tra loro più celle. Per evitare sprechi di silicio, i produttori di celle cercano di ricavare il quadrato della cella scartando meno materiale possibile, quindi ecco perché gli angoli sono smussati.

A causa di questo materiale che viene scartato dalla lavorazione e dal tipo di lavorazione del silicio, i moduli fotovoltaici monocristallini sono più costosi, però rendono di più in condizione di irraggiamento ottimale, grazie al silicio monocristallino che è disposto in maniera perfetta e, a parità di superficie, riesce a produrre maggiore corrente elettrica rispetto alle altre tipologie di celle.

Questi moduli funzionano molto bene in caso di irraggiamento perpendicolare al modulo e deve essere completamente esposto al sole. In caso di moduli montati orizzontalmente (come sul tetto del camper) hanno una minore efficienza rispetto alle altre tipologie di moduli fotovoltaici e se vengono parzialmente coperti a causa di una foglia o ombra, questi moduli fotovoltaici rischiano di smettere di funzionare. Inoltre, questi moduli sono molto sensibili al calore e rendono di meno quando sono surriscaldati rispetto alle altre tipologie di moduli fotovoltaici.

Celle policristalline

Le celle in silicio policristallino sono, invece, perfettamente quadrate proprio perché vengono realizzate affettando un lingotto rettangolare. I cristalli vengono fusi e versati in uno stampo rettangolare e si solidificano orientati in maniera disordinata rispetto, invece, al perfetto orientamento del silicio monocristallino. Anche in questo caso, dal lingotto vengono ricavate delle fette sottili per ottenere le celle policristalline. Le celle policristalline non hanno scarto per poter ottenere moduli fotovoltaici, per questo costano meno a parità di potenza rispetto i moduli monocristallini.

Questi moduli costano un po' meno ed hanno un rendimento leggermente minore rispetto ai moduli monocristallini, proprio perché i cristalli policristallini sono meno puri (alcuni produttori utilizzano anche cristalli scarti di lavorazione) e sono orientati in qualsiasi direzione. Però, grazie a questa disposizione disordinata, il modulo riesce ad avere prestazioni migliori anche in caso di sole non perfettamente perpendicolare al pannello, quindi è molto efficiente anche se tenuto orizzontale sul tetto di un camper. Hanno un rendimento migliore anche se vengono surriscaldati, però presentano lo stesso problema dei monocristallini in caso di parziale copertura tipo foglia o ombra, smettendo di funzionare correttamente.

Celle a film sottile (silicio amorfo o altri materiali)

Questi moduli si riconoscono per l'uniformità della superficie. Ciò è dovuto alla differente modalità di realizzazione rispetto alle celle monocristalline e policristalline. In questo caso, il silicio (o altro materiale fotosensibile) viene depositato direttamente su una superficie e spalmato in modo da ottenere uno strato sottilissimo. I nastri metallici vengono annegati nel silicio quando è ancora liquido.

Questa modalità di costruzione permette di utilizzare una quantità di silicio molto inferiore (pochi micron) senza produrre scarti, rispetto alle celle mono e policristalline che, invece, vengono realizzate affettando un cilindro o un lingotto. Per questo sono molto economici, però sono molto più pesanti. Questi moduli hanno un rendimento basso però hanno il grande vantaggio di produrre corrente elettrica anche con luce diffusa, quindi in caso di giornata nuvolosa o con il modulo non perpendicolare ai raggi del sole. Inoltre, funzionano anche in caso di ombreggiatura parziale, naturalmente con una leggera perdita di produzione proporzionale alla superficie coperta, mentre gli altri moduli perdono molta efficienza quando sono parzialmente coperti.

REGOLATORE DI CARICA

Il modulo fotovoltaico produce corrente elettrica ad una tensione che è diversa da quella necessaria per caricare le batterie in maniera ottimale senza danneggiarle. Per ottenere la giusta tensione di carica, è necessario installare un regolatore di carica tra il pannello fotovoltaico e le batterie di servizio del camper. Il regolatore di carica è un'apparecchiatura elettronica che trasforma la tensione in ingresso che proviene dal modulo fotovoltaico nella giusta tensione in uscita ideale per caricare la batteria del camper.

Avere un buon regolatore di carica permette di ottenere ottime prestazioni con poche perdite e di salvaguardare la batteria servizi. Infatti, i migliori regolatori di carica sono dotati di software che permette di poter gestire al meglio la carica della batteria. Ad esempio, nel caso in cui la batteria raggiunga la massima carica, i migliori regolatori terminano la carica ed iniziano il ciclo di mantenimento, così da mantenere la massima carica senza danneggiare la batteria. Inoltre, quando il modulo fotovoltaico smette di produrre energia a causa di insufficiente insolazione, il regolatore si spegne, così da annullare le perdite.

I regolatori di carica sono caratterizzati dalle differenti modalità di lavoro:

Regolatore di carica PWM

Il regolatore di carica PWM, che significa Pulse Width Modulation (modulazione di larghezza d'impulso), è il più diffuso nel settore dei veicoli ricreazionali ed economico in commercio. Questo regolatore lavora abbassando la tensione in ingresso alla giusta tensione in uscita, così da permettere di caricare le batterie alla giusta tensione. Infatti, per ottenere una tensione di carica sfruttabile, i moduli fotovoltaici producono una tensione sempre superiore a quella che serve per la carica delle batterie, così da permettere al regolatore di poter abbassare la tensione e trasferire energia elettrica alle batterie senza danneggiarle.

Il regolatore PWM, tagliando la tensione del modulo fotovoltaico, taglia anche la potenza e l'effetto risultante è che viene inviata alle batterie solo una parte della potenza nominale del modulo fotovoltaico.

Per esempio, se il modulo fotovoltaico fornisce 90 W alla tensione di 18,4 V, quindi con una corrente elettrica di 4,89 A, il regolatore lavora per abbassare la tensione che riceve dal modulo fotovoltaico a 14,2 V, tensione ideale per caricare le batterie del camper, mantenendo la corrente di 4,89 A.

Pur mantenendo inalterata la corrente di 4,89 A, la potenza effettiva di carica che riceve la batteria è 14,2 V x 4,89 A = 69 W, cioè quasi il 25% in meno della potenza che fornisce il modulo fotovoltaico.

Quindi, il regolatore di carica PWM è molto diffuso negli impianti fotovoltaici dei camper perché costa poco e permette di poter regolare la tensione anche di due o più moduli fotovoltaici, così da compensare la perdita di potenza con una sovra-produzione di energia elettrica collegando più moduli fotovoltaici.

Regolatore di carica MPPT

Questo tipo di regolatore è molto utilizzato in impianti fotovoltaici residenziali o con tanti moduli fotovoltaici, così da poter ammortizzare l'alto costo ed ottenere ottime prestazioni quasi senza perdite di potenza.

Il regolatore di carica MPPT, che significa Maximum Power Point Tracker (inseguimento del punto di massima potenza), lavora in modo da poter mantenere in uscita la massima potenza che riceve in ingresso, abbassando la tensione ed aumentando la corrente elettrica, così da sfruttare al massimo la potenza che riceve dal modulo fotovoltaico.

Per esempio, se il modulo fotovoltaico fornisce 90 W alla tensione di 18,4 V, quindi con una corrente elettrica di 4,89 A, il regolatore lavora per abbassare la tensione che riceve dal modulo fotovoltaico a 14,2 V, tensione ideale per caricare le batterie del camper, ed alza la corrente elettrica a 6,33 A, così da poter mantenere la potenza di 90 W.

Si capisce subito che questo tipo di regolatore sfrutta al 100% la potenza del modulo fotovoltaico, consentendo la carica della batteria ad una tensione di 6,33 A invece dei 4,89 A: alla fine della giornata, la batteria riceverà circa 15 A di corrente elettrica in più rispetto allo stesso modulo fotovoltaico con regolatore di carica di tipo PWM.

Il rovescio della medaglia è che questi regolatori di carica MPPT sono molto costosi e costano molto di più di un buon modulo fotovoltaico per camper. Per questo vengono generalmente utilizzati nel fotovoltaico residenziale, dove il regolatore incide molto poco sul costo complessivo dell'impianto e permette di ottenere le massime prestazioni di produzione di energia elettrica con perdite molto ridotte.

Regolatore di carica BOOSTER

Ecco una novità recente nel campo dei sistemi fotovoltaici per camper: il regolatore di carica BOOSTER. Questo regolatore lavora in maniera totalmente differente rispetto al regolatore PWM, costa poco di più di un PWM ma permette di sfruttare la massima potenza del modulo fotovoltaico senza tagliare la tensione come, invece, avviene con il regolatore PWM.

Questo tipo di regolatore deve essere collegato ad un apposito modulo fotovoltaico che produce la massima potenza ad una tensione inferiore ai 12 V, che realizzato appositamente per essere utilizzato con questo regolatore: per questo il regolatore di carica BOOSTER viene venduto in kit con il suo modulo fotovoltaico da 90 W.

Il regolatore di carica BOOSTER lavora innalzando la tensione che riceve dal modulo fotovoltaico alla giusta tensione ideale per caricare correttamente le batterie dei camper, mantenendo la potenza del modulo fotovoltaico con perdite molto ridotte.

Per esempio, se il modulo fotovoltaico fornisce 90 W alla tensione di 11,8 V, quindi con una corrente elettrica di 7,62 A, il regolatore lavora per alzare la tensione che riceve dal modulo fotovoltaico a 14,2 V, tensione ideale per caricare le batterie del camper, ed abbassando la corrente elettrica a circa 6,30 A, mantenendo la potenza in uscita di 90 W.

Questo sistema fotovoltaico ha anche il grande pregio di funzionare molto bene anche in caso di scarso irraggiamento solare, proprio perché il BOOSTER eleva la tensione per poter mantenere la massima potenza in uscita. Con il kit modulo fotovoltaico da 90 W ed il regolatore di carica BOOSTER, nell'arco della giornata si ottiene la stessa produzione di energia elettrica di un modulo fotovoltaico da 120 W ed un regolatore di carica PWM. Infatti, se il modulo fotovoltaico fornisce 120 W alla tensione di 18,4 V, quindi con una corrente elettrica di 6,52 A, il regolatore lavora per abbassare la tensione che riceve dal modulo fotovoltaico a 14,2 V, tensione ideale per caricare le batterie del camper, mantenendo la corrente di 6,52 A, di poco superiore a quella del modulo fotovoltaico da 90 W regolato dal BOOSTER.

Il vantaggio di un sistema fotovoltaico Booster è quello di avere un modulo di ridotte dimensioni e più leggero di un modulo da 120 W, ottenendo la stessa produzione di energia elettrica nell'arco della giornata, al costo di poco superiore ad un normale kit fotovoltaico da 90 W.

DISPLAY

Quante volte ci domandiamo: ma i pannelli stanno caricando la batteria? Quale tensione ha la mia batteria? Quanta corrente sta caricando la mia batteria? Se qualcuno, come me, vuole tenere controllata la produzione del proprio modulo fotovoltaico, il Display è la soluzione ideale.

Il display è un accessorio opzionale che permette di tenere sotto controllo il valore di tensione (V) di carica e conoscere quanta corrente elettrica (A) vengono inviati alla batteria servizi del camper.

Il funzionamento è molto semplice: alcuni display visualizzano i valori di tensione e corrente dopo aver premuto un apposito pulsante, altri i valori vengono visualizzati in maniera continua sul display.

Il vantaggio di avere un Display è quello di poter capire immediatamente se il modulo fotovoltaico funziona correttamente o se ci sono dei problemi che non permettono di ottenere la giusta carica della batteria servizio. Ad esempio, si potrebbe avere una bassa produzione se i moduli fotovoltaici sono sporchi, oppure l'energia potrebbe essere molto bassa perché il modulo è parzialmente oscurato da un'ombra o da un oggetto... Questi malfunzionamenti possono essere facilmente identificati con il display, altrimenti ci si potrebbe trovare con una batteria non perfettamente carica senza saperlo, convinti che la bella giornata di sole potesse aver caricato completamente la nostra batteria e ce ne accorgiamo quando la sera abbiamo bisogno di energia elettrica... troppo tardi.

Naturalmente, prima dobbiamo conoscere le prestazioni del nostro kit fotovoltaico in condizioni ideali per poter valutare con questo strumento se i moduli producono la giusta energia elettrica. Per valutare se il nostro sistema fotovoltaico funziona correttamente, per prima cosa, in caso di camper posizionato sotto il sole, in giugno, senza ombre sul modulo fotovoltaico, a seconda del tipo di regolatore di carica, si dovrebbe ottenere una corrente di carica pari al 70-80% della corrente massima ottimale, perché il nostro modulo fotovoltaico è orizzontale sul tetto del camper e i raggi del sole sono obbliqui (sappiamo che il modulo fotovoltaico rende al 100% se i raggi del sole sono perpendicolari a 90° sul piano del modulo). In caso di ombreggiatura la corrente di carica cala drasticamente per i moduli monocristallini e policristallini, mentre per i moduli amorfi consentono di ottenere una corrente leggermente superiore.

Quindi, se con il camper sotto il sole delle 12 in giugno, con un modulo fotovoltaico di 90 W vediamo sul display che la corrente di carica è 2-3 A, c'è qualche cosa che non va, mentre se siamo in dicembre significa che il modulo rende molto bene.

PARALLELATORE

Quando la batteria servizio è completamente carica, i migliori regolatori smettono di caricarla (mentre quelli economici continuano ad erogare corrente che potrebbe danneggiare la batteria) e iniziano il ciclo di mantenimento. Quindi, in quel momento l'energia che veine prodotta dal modulo fotovoltaico viene dissipata e sprecata. Casomai abbiamo un'altra batteria servizi o una batteria motore che potrebbe aver bisgongo di essere caricata.

Con il parallelatore, un piccolo apparecchio che invia automaticamente una certa quantità di corrente di carica da una batteria all'altra, permette di poter collegare un'altra batteria ed utilizzare la corrente di carica in eccesso per caricare la seconda batteria o la batteria motore.

Il funzionamento è molto semplice: il parallelatore deve essere collegato alla batteria servizi principale e con un secondo cavo si collega alla batteria secondaria. Il parallelatore funziona anche con energia elettrica prodotta da altre fonti, come il trasformatore 230V oppure durante la marcia del veicolo e può deviare una corrente da 0,1 a 4 A dalla prima batteria alla seconda batteria, si attiva quando la prima batteria è carica (13,6V) mentre stacca la carica della seconda batteria quando la prima batteria scende a 12,5 V, per riattivarsi quando la prima batteria supera nuovamente i 13,6 V. Un led verde acceso indica quando la seconda batteria è in carica.

Il grande vantaggio del parallelatore è quella di sfruttare al massimo l'energia elettrica di qualsiasi tipo di produzione per caricare automaticamente anche altre batterie non collegate tra loro.

Quale kit fotovoltaico scegliere per un impianto sul camper?

La scelta del tipo di modulo fotovoltaico per il proprio camper deve essere presa in funzione delle nostre abitudini di consumo elettrico. A seconda di quanta energia elettrica consumiamo, il modulo fotovoltaico deve poter compensare il prelievo di corrente dalla batteria, producendo energia elettrica per riportarla alla massima carica.

Inoltre, la scelta dipende anche dalla stagione meteorologica in cui si utilizza il camper, perché la produzione di energia elettrica fotovoltaica in estate è molto superiore a quella prodotti in inverno ed è proprio in inverno che c'è più bisogno di elettricità a causa delle minori ore di luce e del riscaldamento sempre in funzione, che consuma molta energie elettrica. In estate, invece, c'è da considerare l'elevato consumo del frigo a compressore.

In generale, a seconda del tipo di vacanza ed utilizzo, si può consigliare quanto segue:

• vacanze prettamente estive, con uso limitato del televisore, presenza di frigo a compressore, è sufficiente un piccolo impianto fotovoltaico da 75W
• vacanze dalla primavera all'autunno, con uso limitato del televisore, presenza di frigo a compressore, uso sporadico di riscaldamento, può essere una buona soluzione un kit fotovoltaico da 120 W o da 90 W con Booster
• vacanze tutto l'anno, anche in inverno, con riscaldamento Truma C o riscaldatore a gasolio, uso del televisore, l'energia elettrica non basta mai, quindi si consigliano due moduli fotovoltaici da 120 W

Ma quali moduli fotovoltaici scegliere?

La scelta del tipo di modulo fotovoltaico dipende da quanta superficie abbiamo a disposizione sul tetto del camper.

Per le dimensioni, dobbiamo tenere conto che:

• il modulo monocristallino da 100 W occupa una superficie di 0,6 mq
• il modulo policristallino da 100 W occupa una superficie di 0,8 mq
• il modulo amorfo da 100 W occupa una superficie di 2 mq

La scelta del tipo di modulo (monocristallino, policristallino e amorfo) per il camper è sempre combattuta per cercare la giusta via tra il costo e le prestazioni.

Per un uso sul camper, la soluzione ottimale è quella di scegliere il modulo fotovoltaico policristallino, perché ha un costo più contenuto rispetto al monocristallino e rende meglio in caso di irraggiamento obbliquo (mentre i monocristallini funzionano meglio con i raggi ortogonali la superficie).

Conclusioni

Avere un kit fotovoltaico sul tetto del proprio camper consente di ottenere una indipendenza energetica molto utile per vacanze in camper in libertà, senza la necessità di collegarsi alle colonnine elettriche a 230 V per caricare le batterie. E' ovvio che, dal momento che i moduli fotovoltaici caricano le batterie, l'energia elettrica che si può disposrre sul camper è quella erogata dalla batteria, necessaria per le varie utenze come l'illuminazione, televisione, frigorifero a compressore, riscaldamento. Per altri tipi di utilizzatori elettrici che richiedono la tensione a 230 V, occorre attingere energia da altre fonti, come le colonnine elettriche dei campeggi od aree attrezzate camper perché i moduli fotovoltaici e le batterie non riescono a fare i miracoli...

Nella sezione IN-VETRINA potete trovare maggiori informazioni sui moduli fotovoltaici, regolatori di carica ed altri accessoriche abbiamo potuto toccare con mano e testare.

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