Installare un pannello solare e una batteria non rende automaticamente autonoma una postazione radio.
Il dimensionamento deve partire dai consumi reali, considerare il peggior periodo dell’anno e includere perdite, temperatura, invecchiamento e giorni senza produzione.
Un impianto progettato sulla giornata estiva migliore può spegnersi proprio durante una settimana invernale di maltempo.
Potenza ed energia
La potenza si misura in watt. L’energia consumata nel tempo si misura in wattora.
La relazione fondamentale è:
Energia = Potenza × Tempo
Se un dispositivo assorbe 20 W per 24 ore:
20 × 24 = 480 Wh al giorno
Per un carico in corrente continua:
Potenza = Tensione × Corrente
Un dispositivo che assorbe 2 A a 13,8 V consuma:
13,8 × 2 = 27,6 W
Misurare, non indovinare
Occorre misurare separatamente:
- assorbimento del ripetitore in ricezione;
- assorbimento in trasmissione;
- duty cycle medio;
- router;
- modem;
- Raspberry Pi;
- ventole;
- sensori;
- convertitori;
- riscaldatori.
Il consumo può essere registrato per alcuni giorni con uno shunt o un analizzatore di energia.
Il Department of Energy ricorda che il dimensionamento dell’accumulo parte dall’energia richiesta, ottenibile moltiplicando la potenza dei carichi per le ore di utilizzo.
Calcolare l’assorbimento medio del ripetitore
Supponiamo:
- assorbimento in ricezione: 0,8 A;
- assorbimento in trasmissione: 7 A;
- duty cycle di trasmissione: 8%;
- tensione: 13,8 V.
La corrente media può essere stimata così:
I media = I RX + duty cycle × (I TX − I RX)
Quindi:
0,8 + 0,08 × (7 − 0,8) = 1,296 A
Potenza media:
13,8 × 1,296 = circa 17,9 W
Energia giornaliera del solo ripetitore:
17,9 × 24 = circa 430 Wh
Aggiungere i servizi
Supponiamo che router, modem e controller assorbano complessivamente 12 W:
12 × 24 = 288 Wh
Totale:
430 + 288 = 718 Wh al giorno
Aggiungendo un margine del 20% per perdite e variazioni:
718 × 1,20 = circa 862 Wh al giorno
Questo è il fabbisogno energetico di progetto dell’esempio.
Dimensionare la batteria
La capacità richiesta dipende da:
- consumo giornaliero;
- giorni di autonomia;
- tensione nominale;
- profondità massima di scarica;
- rendimento;
- temperatura;
- invecchiamento.
Formula semplificata:
Capacità Ah = Energia giornaliera × giorni / tensione × DoD × rendimento
Per tre giorni di autonomia, batteria LiFePO₄ da 12,8 V, profondità di scarica progettuale dell’80% e rendimento del 90%:
862 × 3 / (12,8 × 0,8 × 0,9) = circa 281 Ah
Una scelta reale potrebbe quindi orientarsi su circa 300 Ah, aumentando ulteriormente il margine se il sito è difficile da raggiungere.
La profondità di scarica influisce direttamente sulla durata della batteria: scariche più profonde riducono il numero di cicli disponibili. Anche la temperatura modifica sensibilmente la capacità effettiva.
Piombo o LiFePO₄?
Batterie al piombo
Vantaggi:
- costo iniziale contenuto;
- tecnologia conosciuta;
- buona disponibilità;
- comportamento prevedibile.
Svantaggi:
- peso;
- minore capacità utile;
- peggior rendimento;
- sofferenza in caso di scarica profonda;
- vita ridotta se mantenute parzialmente scariche.
Batterie LiFePO₄
Vantaggi:
- maggiore energia utile;
- peso ridotto;
- elevata efficienza;
- buona vita ciclica;
- tensione stabile.
Svantaggi:
- costo iniziale;
- necessità di BMS;
- limiti di carica a bassa temperatura;
- maggiore attenzione alla compatibilità del caricatore.
Documentazione tecnica di settore indica rendimenti energetici tipicamente superiori per LiFePO₄ rispetto al piombo, ma il vantaggio dipende dalla corretta configurazione del BMS e del sistema di carica.
Dimensionare i pannelli
La potenza del pannello non deve essere calcolata dividendo semplicemente il consumo per 24 ore.
La produzione dipende dalle ore equivalenti di pieno sole, dalle perdite e soprattutto dal mese peggiore.
Formula semplificata:
Potenza fotovoltaica = Energia giornaliera / ore equivalenti × rendimento complessivo
Se nel periodo critico si stimano due ore equivalenti di pieno sole e un rendimento complessivo del 70%:
862 / (2 × 0,70) = circa 616 Wp
Una scelta prudente potrebbe essere 700–800 Wp, verificando però dati reali di località, inclinazione, ombreggiamento e neve.
La produzione fotovoltaica varia con stagione, nuvole, polvere, ombre, pioggia e neve. L’accumulo serve a trasferire nel tempo l’energia, ma introduce inevitabilmente perdite.
Il mese peggiore
Una postazione italiana montana può avere un’ottima produzione annuale ma una produzione invernale insufficiente.
Bisogna considerare:
- sole basso;
- giornate corte;
- ombre dei rilievi;
- neve sui pannelli;
- nebbia;
- temperature;
- più giorni consecutivi di maltempo.
L’orientamento migliore annuale non coincide sempre con quello migliore per l’inverno. Un’inclinazione più elevata può migliorare la produzione nella stagione fredda e facilitare lo scivolamento della neve.
Regolatore MPPT
Il regolatore deve sopportare:
- tensione a vuoto massima dei pannelli;
- corrente massima;
- potenza totale;
- temperatura minima;
- configurazione serie-parallelo.
La tensione a vuoto aumenta con il freddo. Un impianto che rientra nei limiti in estate può superare la tensione massima del regolatore durante una mattina invernale molto fredda.
Protezioni
Sono necessari:
- fusibili vicino alla batteria;
- sezionatori;
- cavi dimensionati;
- capicorda corretti;
- protezione da inversione;
- protezione contro sovratensioni;
- messa a terra;
- contenitore idoneo;
- protezione da condensa;
- controllo della temperatura;
- BMS compatibile.
La batteria può erogare correnti elevatissime. Un cavo non protetto può provocare incendio.
Telemetria
È utile registrare:
- tensione batteria;
- corrente di carica;
- corrente dei carichi;
- stato di carica;
- produzione solare;
- temperatura;
- energia giornaliera;
- profondità di scarica;
- ore di trasmissione.
Dopo un inverno i dati permetteranno di correggere le ipotesi iniziali.
Conclusione
Il dimensionamento corretto segue questa sequenza:
- misurare i consumi;
- calcolare l’energia giornaliera;
- scegliere l’autonomia;
- applicare profondità di scarica e rendimenti;
- valutare temperatura e invecchiamento;
- dimensionare il fotovoltaico sul mese peggiore;
- aggiungere margine;
- verificare tutto con telemetria reale.
Nel solare off-grid, il margine non è uno spreco: è ciò che separa un sistema autonomo da un sistema che funziona soltanto quando c’è bel tempo.