Si assiste da qualche anno ad un ritrovato interesse per i sistemi di illuminazione esterna ad alimentazione fotovoltaica: migliori e più economici moduli, batterie più performanti e meno costose, ma soprattutto apparecchi a LED alimentabili in corrente continua. Sono queste le ragioni di un crescente successo.

Le soluzioni di illuminazione “stand – alone” nascono negli anni 90, quando spesso le Amministrazioni erano interessate più a dare un’immagine “verde” al loro operato, che a valutare la funzionalità e costi di quello che si installava: si trattava di una soluzione che aveva senso solo quando si trattava di illuminare incroci isolati, zone periferiche, dove il costo di posa di una linea elettrica fissa era tale da scoraggiare qualsiasi iniziativa. L’obiettivo era “fare un po’ di luce”, senza badare troppo alla sua qualità, spesso soltanto per evidenziare un punto pericoloso per la sicurezza.

Oggi le motivazioni sono ancora le stesse, ma la tecnologia offre soluzioni adeguate ai bisogni delle Amministrazioni. Un aspetto determinante è diventata la scelta dell’apparecchio di illuminazione, che deve rendere possibile l’alimentazione in corrente continua, per migliorare l’efficienza del sistema e indirizzare correttamente la luce.

Si possono progettare sistemi estremamente efficienti dal punto di vista illuminotecnico, in grado di garantire, a parità di prestazioni, consumi molto ridotti ( da -20% a -50% rispetto a quanto disponibile finora), in quanto all’efficienza di un apparecchio di illuminazione di ottima qualità , si aggiungono le tecnologie per garantire una durata di accensione ottimale ed una dimmerazione perfetta nel pieno rispetto delle norme UNI.

Le tecnologie: i vantaggi dell’orologio astronomico

Si definisce “crepuscolo civile” l’intervallo di tempo in cui il sole si trova tra 6° sotto l’orizzonte e la linea stessa dell’orizzonte. In questo intervallo va posizionata l’accensione dell’impianto. La durata del “crepuscolo civile” in un determinato luogo dipende principalmente dalla latitudine, dalla longitudine e dal giorno dell’anno, come del resto il sorgere e il tramontare del Sole.

La determinazione del momento in cui posizionare l’accensione e lo spegnimento degli impianti è influenzata dalla morfologia del territorio (pianeggiante, collinare o montuoso) e dalle necessità dell’utenza.

Nei lampioni fotovoltaici tradizionali, il comando di accensione degli impianti si gestisce attraverso la lettura della tensione del modulo fotovoltaico che funge da interruttore crepuscolare (soluzione economica adottata da tutti i fornitori di sistemi di questo tipo), un controllo molto impreciso, perché simile al funzionamento di una fotocellula crepuscolare. Il solo orologio astronomico può in realtà garantire un risparmio variabile tra il 5 ed il 15% di energia rispetto ad un sistema tradizionale e in presenza di più sistemi assicura la simultaneità dell’accensione degli impianti.

Le tecnologie: cicli di dimmerazione secondo UNI 11248 e UNI 11431

In genere nei lampioni fotovoltaici l’accensione e lo spegnimento e gli orari di dimmerazione non sono basati su un orario stabilito astronomicamente, ma in base alla luce presente al crepuscolo e all’alba. Così i lampioni non hanno a bordo un orologio preciso e basano le accensioni e le eventuali dimmerazioni dal momento della condizione notte: quando la tensione del modulo fotovoltaico scende sotto un certo valore (condizione notte), scatta un timer che gestisce le accensioni, le dimmerazioni e lo spegnimento.

Per esempio nel valore notte l’apparecchio di illuminazione si accende al 100%, poi dopo due ore lo porta al 50% e cosi via. L’orario della condizione notte varia in maniera importante nel corso dell’anno e quindi anche gli orari di dimmerazione. Questa architettura comporta uno spreco evidente di energia, perché si mantiene accesso l’apparecchio di illuminazione a piena potenza quando non occorre.

Tempi di accensione del sistema

Per rispondere alla domanda “Quanto tempo resta acceso?” “Il funzionamento copre tutta la notte?” bisogna effettuare una serie di scelte e valutazioni:

1. Scelta dell’apparecchio di illuminazione

In primo luogo si devono definire le caratteristiche dell’apparecchio di illuminazione (modello, geometria della luce). Le norme di riferimento sono la UNI 11248 e la UNI EN 13201, che prescrivono i valori di luminanza e uniformità minima da garantire per ogni tipo di strada. Qualunque altro tipo di unità di misura (Lumen emessi, Lux, ecc) non trova riscontro con le prescrizioni delle norme, in quanto tali valori non tengono conto del flusso luminoso che viene correttamente utilizzato per illuminare eventuali ostacoli presenti sulla carreggiata. La qualità di un apparecchio di illuminazione non si misura da quanta luce fa (lumen), ma da quanta di questa luce viene indirizzata correttamente per illuminare la strada.

2. Calcolo del consumo del sistema

Per stabilire quanta energia nel caso più gravoso consuma il sistema, cioè la notte del solstizio di inverno, tra il 22 ed il 23 Dicembre, bisogna conoscere:

–Potenza dell’apparecchio

–Durata accensione, in funzione del tipo di sistema utilizzato ( astro, con quali impostazioni, oppure fotocellula/ pannello)

–Possibilità e modalità di regolazione del flusso luminoso, cioè a che ora si può dimmerare e quanto si può dimmerare

–Presenza del telecontrollo: la telegestione permette di variare durante l’anno i parametri di funzionamento, per gestire al meglio l’energia disponibile. Il risultato è il consumo massimo giornaliero del sistema.

3. Calcolo del generatore fotovoltaico e dell’accumulo

Per calcolare l’energia producibile dai moduli FV, è necessario conoscere il luogo geografico dove verrà installato l’impianto, attraverso:

-Norme UNI

-ENEA

-PVGIS Comunità Europea

-NASA

Il luogo di installazione è fondamentale anche per la scelta del sostegno da un punto di vista meccanico dato che vanno considerate le azioni di vento e neve in base agli Eurocodici.

Infine bisogna stabilire la capacità della batteria che dipende – oltre che dal consumo giornaliero – anche da altre due considerazioni:

a) In quanti giorni in caso di avaria del generatore fotovoltaico si interviene per riparare il sistema? Di solito, in funzione della località , si varia da un giorno a tre giorni;

b) Dopo quanto tempo si desidera sostituire le batterie? Maggior profondità di scarica comporta maggiore autonomia, che si paga con una minor durata delle batterie.

Esempi applicativi

Reverberi ha effettuato una serie di calcoli, per dare ai propri clienti una indicazione di dove si può installare il sistema “Unico” con apparecchio di illuminazione da 13 W e modulo fotovoltaico da soli 100Wp, in relazione a tre tipologie di cicli di dimmerazione, in alcune citta in Italia, fonte zone di  insolazione ENEA.

In pratica, una prima possibilità di funzionamento riguarda il rispetto assoluto delle norme, in particolare la norma UNI11431, che prevede un ciclo standardizzato di regolazione per gli impianti di illuminazione stradale.

Come seconda ipotesi, dato che spesso questi sistemi vengono installati in zone rurali o in aree industriali, si è considerato, sempre il giorno 21 dicembre, di mantenere il flusso luminoso al massimo per due ore, fino alle 19.00 circa, corrispondente all’ora di uscita massima dagli uffici e dalle fabbriche: in seguito si riduce il flusso del 50% come previsto dalla norma UNI 11431.

La terza ipotesi considera una dimmerazione spinta, che porta il flusso subito a -50%. La logica di questa proposta deriva dall’eventuale possibilità di disporre di un preciso sistema di regolazione dei cicli, mutuato dai regolatori di tensione, che permette di creare anche cicli che spostino l’orario di dimmerazione ma mano che la durata della notte diminuisce.

A metà Gennaio si potrebbe pensare di mantenere il sistema acceso per un’ora a pieno regime, in quanto le minori ore di accensione consentono un minor uso di energia, unito ad un maggior irraggiamento. E a Marzo prevedere un ciclo che segua già la UNI 11431, con regolazione spinta a mezzanotte.

In definitiva la vasta ed articolata scelta di cicli di dimmerazione, con orologio calendario, consente una ottimizzazione spinta dell’energia utilizzata, con contenimento dei costi di acquisto e esercizio.

Il sistema UNICO

UNICO è composto da due macro componenti:

1) l’apparecchio di illuminazione

2) Il gestore energetico del sistema.

L’apparecchio di illuminazione è costituito dal modello Italo 1 (AEC Illuminazione) (vedi tabella I). Le potenze degli apparecchi sono state ottimizzate per riuscire a garantire il rispetto della norma UNI11248 , nella categoria ME6, già con solo 13 W di potenza assorbita.

Il regolatore di carica dispone di algoritmo di inseguimento del punto di massima potenza (MPPT), che permette di incrementare del 30% l’energia catturata dal sole, in quanto viene costantemente inseguito il punto di massima produzione di potenza del pannello in qualsiasi momento.

L’elettronica di comando e gestione LPL/FV è dotata di un modulo GPS che consente di tenere sincronizzati gli orologi in ciascuna unità UNICO. L’interruttore crepuscolare associato al GPS permette di calcolare avendo a disposizione i dati di latitudine e longitudine dell’installazione, fuso orario e percentuale di crepuscolo civile voluta, l’ora di accensione e spegnimento.  Tutte le impostazioni dell’interruttore crepuscolare astronomico, in presenza di una gestione telecontrollata, possono essere effettuate da PC remoto.

LPL/FV ha la possibilità, nella versione stand alone, di avere a bordo 32 cicli orari settabili da dip switch  e 1 ciclo configurabile con programmazione locale via PC, con innumerevoli modalità di programmazione. Nel caso poi di telecontrollo via radio le programmazioni sono infinite.

La compatibilità al 100% con LPL fa si che UNICO può essere connesso ad un normale sistema di telecontrollo della gamma Opera di Reverberi Enetec, senza dover avere soluzioni eterogenee in caso di contemporanea presenza di altri impianti dotati della stessa tecnologia.

In definitiva LPL/FV è un sofisticato gestore dell’energia disponibile in batteria, completamente telecontrollabile grazie alla tecnologia radio e dotato di un preciso orologio ( perché sincronizzato costantemente tramite GPS).

Un caso applicativo: il Comune di Civitello di Moio

Nel 2015 e 2016 sono stati installati 405 UNICO nel comune di Civitella di Moio. Si tratta della tipica applicazione rurale: 405 punti luce sparsi in un territorio molto vasto, a tratti montagnoso, di circa  100 km².

Il costo per l’allacciamento alla rete elettrica sarebbe stato insostenibile per un numero cosi elevato di punti luce sparsi in territori cosi variegati, quindi l’amministrazione ha deciso di orientarsi verso un sistema ad alimentazione autonoma.

Un altro requisito è stato dettato dalla Sovraintendenza: si tratta di zona sottoposta a vincolo e pertanto è stato imposto l’obbligo di un impatto visivo limitato e di una soluzione esteticamente gradevole: questo si è tradotto nella scelta di installare le batterie a base palo, per ridurre l’impatto visivo del trick box e di realizzare una struttura molto esile e sottile.

Inoltre è stato richiesto di telecontrollare tutti i punti luce con sistema punto punto.  Un quadro di comando e un software di telecontrollo Maestro con sistema di allarme per apertura portella vano batterie completano il sistema.

( a cura di Paolo Di Lecce, Nicola Silvetti – Reverberi Enetec – Gruppo MPES)