Fotovoltaico off-grid fai da te – Seconda parte
Dopo aver visto la parte relativa ai pannelli fotovoltaici, ora vediamo la costruzione dei componenti che trasformano la bassa tensione CC in alta tensione AC.
Il pannello di controllo + inverter
Sul pannello di controllo ho installato i seguenti componenti:
- scatola con scaricatori e interruttori magnetotermici
- regolatore di carica Epever 4210AN
- SSR che comanda il relè che collega/stacca i pannelli al regolatore di carica
- altro relè predisposto per altri futuri usi
- display stato di carica della batteria
- piccolo regolatore di tensione step-down
- termostato
- ventole di raffreddamento per il regolatore di carica
- barra equipotenziale per le masse
- inverter toroidale da 3 kW – 24 V
Dalle busbar che entrano in salotto, la corrente entra nella scatola dove si trovano gli scaricatori e i magnetotermici.
Tutti i collegamenti del pannello di controllo, li ho fatti con barre di alluminio da 5 e 6 mm di spessore. Idem per quelli all’interno della scatola dei magnetotermici, con un sistema a pettine in pezzo unico per il rail positivo e uno per il rail negativo.
Busbar sul regolatore di carica
In uscita dalla scatola, partono i collegamenti verso il regolatore di carica Epever 4210AN, collegamenti fatti con barre da 5 * 9 mm (45 mm²) e successivamente ricoperti con guaina termorestringente rossa e nera.
Tutte le barre di alluminio, sono state recuperate dal solito recupero industriale vicino a casa mia, nella montagna di materiale di scarto di lavorazioni meccaniche.
Per il dimensionamento e la piega delle barre, mi sono precedentemente costruito dei modelli in cartone, in modo da simulare il posizionamento finale su diversi piani ed in modo da riuscire ad entrare agevolmente nei terminali dell’Epever.
La piega delle barre è sempre stata fatta a mano, con una morsa e delle tavolette di legno per fare leva.
Le curve sono state ottenute con l’aiuto dei modelli in cartone per l’angolatura. Anche queste barre, sono state ricoperte con guaina isolante termorestringente.
Ventole di raffreddamento termostatate per il regolatore di carica
Non sapendo se il regolatore scaldava durante il suo funzionamento, ho deciso di installare un paio di ventole comandate da termostato sotto l’aletta di raffreddamento.
Le 2 ventole recuperate da vecchi pc e messe in serie, quando si attivano, fanno un leggerissimo soffio.
Le ventole vengono comandate dal piccolo termostato, la cui sonda è a contatto con l’aletta di raffreddamento dello stesso regolatore di carica.
Sotto alle ventole, ho praticato un paio di fori, dello stesso diametro delle ventole, per permettere l’aspirazione di aria fresca.
Su una piccola piastra fresata di alluminio, presa sempre dal recupero, ho collegato tutte le masse degli scaricatori, dell’Epever e dell’inverter.
L’inverter
L’inverter lo faccio funzionare esclusivamente come generatore off-grid, non ho previsto la ricarica della batteria dalla rete. L’uscita dei 230 Volt entra in un corrugato e successivamente in una canaletta che va al piano interrato dove si trovano i contatori dell’Enel e l’ATS.
Le doverose protezioni: il magnetotermico un uscita dall’inverter
Ovviamente, prima di arrivare all’ATS, l’uscita dei 230 Volt passa per un magnetotermico da 16 Ampere.
La potenza massima dell’Epever 4210AN a 24 Volt risulta essere di 1040 Watt, i pannelli a massima potenza (registrata) producono 650 Watt, salvo qualche veloce picco a 800 Watt, quando sono freddi.
Dal regolatore di carica, parte un cavo di rete collegato alla porta RS485 per il monitoraggio da pc e poi ho collegato un sensore NTC 3950 da 47 kOhm attaccato ad un elemento per monitorare anche la temperatura della batteria.
Il BMS configurato per staccare il regolatore dalla batteria
Non ho usato il classico BMS da 2-300 Ampere in serie al carico. Al suo posto, ho utilizzato il BMS più piccolo che ho trovato su Aliexpress, un 15 Ampere. In pratica, l’unica funzione che faccio fare al BMS, è quella di monitorare la tensione delle varie celle. In caso di anomalia, il BMS si stacca e disattiva l’SSR e il relé di potenza che mi stacca il regolatore di carica.
Tramite i terminali di load del regolatore di carica, piloto (in serie al BMS)(un “AND” con il BMS) l’SSR che comanda il relè di potenza che mi attacca/stacca i pannelli fotovoltaici, in modo da staccare il relè durante la notte.
Il relè verrà riattivato l’indomani sempre al solito modo, in maniera automatica.
Gli orari attualmente li imposto con l’accensione mezz’ora dopo l’alba e lo spegnimento mezz’ora prima del tramonto. Gli orari me li calcola automaticamente meterN, il programma di monitoraggio energetico che gira sul Raspberry Pi.
La soglia l’ho calcolata a 5 Watt di produzione, sotto la quale mi stacca i pannelli. I 5 Watt sono il consumo del relè di potenza, se produco meno di 5 Watt vuol dire che sto prelevando energia dalla batteria.
In questo modo evito che il relè rimanga sempre acceso e consumi preziosa energia inutilmente. Massima efficienza energetica anche qui! 🙂
Possibile futuro miglioramento
Un upgrade che ho in mente di fare, è aggiungere un interruttore crepuscolare ed inserirlo al posto del carico programmabile dell’Epever.
In questo modo non devo più modificare gli orari in base alle stagioni ed inoltre, in caso di temporali forti che oscurano completamente il sole, mi stacca i pannelli autonomamente.
Ho deciso di posizionare l’inverter in orizzontale e girato su un fianco per dare maggiore stabilità e compattezza a tutto il sistema.
Il pannello di controllo è fissato all’inverter, sfruttando i suoi fori di fissaggio. Il risultato finale assomiglia un po’ alla cucina della Barbie… certo, lì dentro ci cucino un sacco di Watt!
Il tutto, ovviamente, è montato su 5 ruote in modo da poter pulire sotto spostandolo facilmente.
La batteria LiFePO4 ed accessori annessi
Per poter fare un impianto fotovoltaico off-grid, sono indispensabili le batterie. Seguendo i preziosissimi consigli di Gianni di Energia fai da te, ho acquistato 8 celle LiFePO4 da 280 Ah della Man Yi.
In realtà, le 8 celle sono state selezionate in modo da avere capacità molto simili, le mie celle sono tutte da 296 Ah, secondo l’etichetta presente in ogni accumulatore.
La configurazione, come avrete intuito, è 8S, cioè 8 elementi in serie per formare una batteria da 26.6 * 296 Ah = circa 8 kWh.
La limitata potenza fornita dai soli 2 pannelli fotovoltaici da 380 Wp, ha come unico vantaggio di caricare la batteria molto lentamente ad una corrente molto bassa, nel mio caso 1/15 C.
Con questa corrente di carica, la batteria rimane fredda, la sonda indica che, dopo una intera giornata sotto carica, la temperatura della batteria aumenta meno di 1°C e forse nemmeno per effetto della corrente di carica.
Il contenitore delle batterie LiFePO4
Ho costruito il contenitore partendo da un pannello di multistrato che ho tagliato in modo da avere un fondo, un coperchio e 2 laterali per la compressione del pacco batterie.
Ho fatto un paio di guide con un profilo in modo da tenerle in sede e poi ho dato un paio di belle mani di olio di lino cotto. In questo modo l’olio crea una protezione per il legno e togliere quel tristissimo bianco pallido al contenitore.
In questo modo, risaltano anche le piccole venature del legno sottostante ed il tutto acquista un aspetto molto più caldo.
La stessa cosa precedentemente era stata fatta anche per il pannello di controllo.
Anche per le batterie, sono state fissate 5 ruote per permettere uno spostamento agevole in caso di bisogno.
BMS, equalizzatore attivo, SSR e relé + dry contact
Il coperchio che copre il pacco batterie è stato incernierato e, sotto al coperchio, trovano posto l’equalizzatore attivo, un piccolissimo BMS da 15 Ampere che uso esclusivamente per pilotare un SSR che a sua volta va a comandare il relé stacca pannelli dal regolatore di carica.
Inoltre, ho messo un dry contact all’equalizzatore attivo (funzione prevista -> RUN): il controller A30 mi attiva l’equalizzatore attivo al superamento di una soglia di tensione durante la carica, quando le batterie tendono ad aumentare improvvisamente la tensione verso la parte finale della carica.
A questo proposito, ho notato che l’equalizzatore attivo non eroga i 5 Ampere durante il bilanciamento degli accumulatori. Si parla di correnti inferiori a 1 Ampere e questo dipende, dalla differenza di tensione rilevata da ogni elemento della batteria.
In ogni caso, non ho notato particolari sbilanciamenti del pacco batterie, anche perché arrivo alla fase di floating pochissime volte a stagione.
Busbar di alluminio anche sulla batteria LiFePO4
I busbar originali in alluminio, li ho sostituiti con pezzi di barra di alluminio tagliati, numerati e forati perfettamente a misura di perno utilizzando sempre scarti di lavorazione dal recupero industriale.
La sezione dei busbar è di 5 * 51 = 255 mm² equivalente ad una barra di rame di sezione 157 mm² e la lunghezza dei busbar è di 11 cm.
Al centro di ogni busbar, ho praticato un foro filettato per poter fissare i terminali del BMS e dell’equalizzatore attivo.
Lo stesso metodo è stato usato per portare il positivo in prossimità dell’inverter, per una lunghezza di circa 65 cm.
Le varie barre sono state fissate tramite viti inox da 8 mm, mentre, dove c’era poca superficie di contatto, sono state usate solo viti, rondelle e dadi in ottone.
Sotto carico, tutti i busbar rimangono completamente freddi e le dimensioni dei busbar agiscono anche come aletta di raffreddamento.
Inoltre, essendo di alluminio come gli accumulatori, non vi è necessità di creare un punto elastico per la dilatazione termica. Le batterie e i busbar essendo tutti in alluminio, hanno la stessa costante di dilatazione.
Fusibili ripristinabili e non
Sul lato sinistro del pacco batterie, esattamente di fronte all’inverter, trovano posto un fusibile ripristinabile da 150 Ampere collegato tra il regolatore di carica e la batteria ed un altro fusibile da 300 Ampere collegato tra la batteria e l’inverter.
L’unica cosa che scalda (e parecchio!) in tutto il sistema è il fusibile da 300 Ampere che però viene raffreddato dall’uscita dell’aria dall’inverter toroidale.
Non ho volutamente messo un fusibile ripristinabile in uscita dalla batteria per l’elevata resistenza introdotta dal contatto strisciante di quel componente.
In caso di guasto, anche l’inverter ha le proprie protezioni interne.
Lo shunt del misuratore di carica
Nel pannello laterale sinistro, proprio sopra al polo negativo della batteria, in una nicchia ricavata a misura, trova alloggiamento lo shunt del misuratore di carica.
L’ATS
Per finire, nel piano interrato, trova posto un ATS che commuta tra l’energia prodotta dall’inverter e la rete pubblica.
Tutto avviene in modo completamente automatico e senza salti di tensione.
Avere sempre la luce in caso di black-out
Una nota degna di… nota: dal mese di febbraio, qui in zona abbiamo subito almeno 4 black-out della rete e nel mio quartiere eravamo solamente in 3 ad avere la luce.
Il più delle volte erano i vicini di casa che mi chiamavano chiedendomi perché a loro mancava la corrente mentre io alimentavo casa e condominio senza problemi.
Un po’ di numeri
da febbraio, quando è entrato in servizio, il mio piccolissimo impianto fotovoltaico stile “Barbie” ha prodotto 784 kWh.
Di seguito, la produzione solare 2023 in kWh per mese con la nuova configurazione off-grid e rilevata dall’Epever:
| prod. reale kWh misurata dall’Epever | |
| gennaio | |
| febbraio | 49,83 |
| marzo | 87,13 |
| aprile | 81,2 |
| maggio | 80,37 |
| giugno | 92,9 |
| luglio | 95,1 |
| agosto | 102,38 |
| settembre | 85,96 |
| ottobre | 61,36 |
| novembre | 48,41 |
La produzione totale da febbraio a novembre è stata di 784,64 kWh.
Ricordo che il mio piccolo impianto, sole permettendo, tiene testa a gran parte dei fabbisogni di energia elettrica di una famiglia di 3 persone + i servizi del mio condominio.
Tutta l’energia prodotta viene auto-consumata e non regalo nemmeno un milliWatt di energia al gestore.
E’ la configurazione che non permette di mescolare le 2 sorgenti di energia. O va la rete o va l’inverter ma in nessun caso uno interferisce con l’altro.
Di seguito, possiamo vedere l’impianto a massima potenza: 3300 Watt @131.5 Ampere!
Se mai leggerà, un ringraziamento particolare a Gianni di Energia fai da te, senza il quale tutto ciò non sarebbe mai stato possibile.
73 🙂
Dietro le quinte
Quello che avete visto sin qua, è solamente il risultato finale depurato di un sacco di prove e sbagli.
Solo per darvi una piccola idea di quanto lavoro c’è stato sotto, vi metto qualche foto di materiale che ho sbagliato a tagliare, forare o, una volta lavorato, completamente rifatto in altro modo, forse più semplice o trovando un’altra soluzione più carina.
La revisione dell’attrezzatura (Lidl e Vevor)
Altro lavoro e tempo, è stato dedicato a revisionare attrezzatura che già avevo o che avevo appena acquistato.
Per esempio, ho dovuto sostituire tutti i cuscinetti del trapano a colonna che avevano troppo lasco.
Poi creare un nuovo punto di blocco del mandrino per ridurre l’oscillazione del mandrino.
Senza parlare della fresatrice a tavola trasversale.
Le estremità dove erano fissati i cuscinetti erano fuori asse di 5-6 mm e ad un certo punto non girava più nulla. Ho dovuto rifare i pezzi e i fori nel posto giusto… materiale molto low quality.
Lavorazione dei metalli e riduzione del rumore
Per quanto riguarda i busbar, inizialmente ero partito a fare la lucidatura dei punti di contatto.
Dopo ore di lucidature, che non mi convincevano, ho scoperto casualmente che il metodo più bello e veloce è applicare una veloce passata con i dischi abrasivi.
In questo modo, viene asportata qualsiasi traccia di cere, ossidi e difetti superficiali del materiale.
L’inverter, invece, l’ho aperto un paio di volte: la prima per eliminare le vibrazioni del carter, inserendo vari pezzettini di materiale espanso nei punti di contatto dei coperchi.
La seconda volta perché avevo intenzione di sostituire la ventola rumorosa con un’altra di diametro maggiore e più silenziosa.
Purtroppo le ventole in mio possesso non avevano la portata d’aria di quella originale ed alla fine ho desistito.