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      La Comunicazione - Numero unico 2000      

Realizzazione di un programma per il dimensionamento 
di stazioni di energia rinnovabile, fotovoltaica ed eolica,
 per il settore delle telecomunicazioni.  

(Project  for establishment photovoltaic and aeolian 
renewable energy station in the TLC field)

   
di Sergio Coccia

Sommario: i crescenti problemi legati all'inquinamento atmosferico, la difficoltà a raggiungere con linee elettriche siti di telecomunicazioni posti in zone impervie, spingono a trovare nuove soluzioni per l'alimentazione di apparati di TLC. I sistemi di energia rinnovabili, anche se relativamente più costosi, possiedono le caratteristiche richieste. Questo studio serve a valutare, dal punto di vista tecnico, ed economico, la fattibilità di questi impianti fotovoltaici ed eolici.

Abstract: the rising problems connected with atmospheric (environmental) pollution, the difficulties reaching telecommunication sites placed in inaccessible areas with electric lines, induce us to look for new solutions for the power supplying of TLC devices.The renewable energy systems, even if more expensive in proportion, have the required specifications. This study was made to assess, from a technical and economical point of view,the  possibility to build photovoltaic and   aeolian equipments.

Introduzione 

I crescenti problemi legati all’inquinamento  atmosferico, la difficoltà a raggiungere con linee elettriche siti di telecomunicazioni posti in zone impervie, spingono a trovare nuove soluzioni per l’alimentazione di apparati di TLC. I sistemi di energia rinnovabili, anche se relativamente più costosi, possiedono le caratteristiche richieste. Questo studio serve per valutare, non solo dal punto di vista tecnico, ma anche economico, la fattibilità di questi impianti fotovoltaici ed eolici.

Energia Rinnovabile 

  Solo da pochi decenni l’umanità ha intrapreso lo sfruttamento massiccio dell’enorme potere energetico dei giacimenti di materia organica fossilizzata accumulatasi nella preistoria sotto forma di carbone, petrolio, metano. Ma i consumi di queste risorse fossili (formatesi da milioni di anni di irraggiamento solare) hanno oramai raggiunto modalità e tempi così accelerati da provocare emissioni non più assorbibili dal ecosistema terrestre. Per dare solo un esempio, il ciclo del carbonio, elemento fondamentale per la vita, ha alterato il suo equilibrio aumentando in modo marcato la percentuale di anidride carbonica in atmosfera. Gli esiti di questi sviluppi sono l’effetto serra, l’alterazione del clima, la riduzione dell’ozono troposferico e sono nocivi per la salute nostra e di tutti gli essere viventi in quanto troppo rapidi rispetto all’evoluzione biologica. Il nostro modo di vivere quotidiano, evolutosi in un tempo estremamente breve (dal dopoguerra ad oggi), ha innescato fenomeni di irreversibilità tali da mettere a rischio la stessa sopravvivenza della nostra specie, ed il tempo a disposizione per invertire questa tendenza si esaurirà nell’arco di una sola generazione.

Per questi motivi, e per la mancanza di alternative in grado di preservare in modo affidabile gli equilibri nell’ecosistema, a loro volta indispensabili per garantire la sopravvivenza della specie umana, si promuove la sostituzione dell’attuale modello energetico basato sullo sfruttamento delle fonti fossili di energia, con un modello di sviluppo sostenibile basato sulle energie rinnovabili quali:  

- Energia solare (diretta):

 a) Termica

 b) Fotovoltaica

 c) Solare passiva (architettura bioclimatica etc.)

- Energia idroelettrica (mini/micro)

- Energia eolica

- Energia da biomasse

- Energia geotermica

- Energia dalle maree e dalle onde

- Uso razionale dell’energia e risparmio energetico (fonte “virtuale”)

  Per quanto concerne la produzione di energia elettrica, le tecnologie da fonte rinnovabile commercialmente mature sono quella idro-elettrica, quella eolica e quella solare fotovoltaica, di cui la prima, dove effettivamente disponibile, è quella economicamente più conveniente, mentre l’ultima risulta generalmente quella meno conveniente (la più costosa). D’altra parte la disponibilità della risorsa idro-elettrica è fortemente vincolata oltreché alla presenza di un corso d’acqua, alla realizzazione di consistenti opere civili per il contenimento che, nella maggior parte delle applicazioni per telecomunicazioni, rappresenta un forte limite difficilmente superabile.

Per le telecomunicazioni, in particolare per le applicazioni in zone isolate (alimentazione ponti radio e stazioni radio base) caratterizzate da modesti fabbisogni energetici, risultano pertanto più appropriate la fonte eolica e quella solare fotovoltaica, i cui pregi e difetti sono sintetizzate nelle rappresentazioni tabellari nella pagina accanto

Confronto per le applicazioni isolate per telecomunicazioni
 fra la tecnologia eolica e quella solare fotovoltaica

La risorsa solare 

Infine le condizioni meteorologiche introducono una variabile stocastica (probabilistica), quantificabile attraverso l’andamento delle medie mensili (che non si discostano da un anno all’altro)

Per l’Italia si hanno regimi solari medio-alti sintetizzati nella seguente tabella  

  La risorsa eolica   

Rilevatore eolico

Purtroppo la risorsa eolica presenta disponibilità molto meno prevedibile di quella solare, in quanto condizionata da innumerevoli fattori di cui molti di pertinenza locale (orografia del terreno, presenza ostacoli, montagne, colline, edifici, alberi etc.). Pertanto per ottenere, per un determinato sito, una previsione della probabile resa energetica di un aerogeneratore, occorre installare sul sito in questione una stazione anemometrica (montata su palo all’altezza di 10m) e rilevare per un anno intero la direzione e velocità del vento. La seguente tabella fornisce indicazioni sul comportamenti tipico degli aerogeneratori (ad asse orizzontale) in funzione della ventosità.

Impianto di rilevamento meteo-solare, di proprietà di questo Istituto,  installato presso il Comune di ISPRA (VA)

Alimentazione dei ponti radio e stazioni radio base   La precedente tabelle dei pregi e difetti già anticipa gli elementi che rendono la fonte eolica e soprattutto quella solare FV idonei per l’alimentazione di ponti radio, quali: Elevata affidabilità di servizio   (predeterminabile); Autonomia totale (indipendenza da rifornimenti di combustibili); Disponibilità della risorsa(fonte) energetica ovunque (in qualunque sito); Esigenze di manutenzione molto basse (e programmabili); Modularità; Robustezza; Durata di vita elevata.

Verificati tutti i principali pregi e difetti dell’utilizzo dell’energia da sistemi ibridi fotovoltaici/eolici si può concludere affermando che il suo utilizzo nel campo delle telecomunicazioni, ed in particolare per l’alimentazione dei ponti radio e stazioni radio base, rappresenta una scelta valida ed appropriata.  

Per questo motivo è necessario analizzare e dettagliare (vedi paragrafi successivi) tutti i passi necessari per un’accurata ingegnerizzazione dei sistemi energetici ibridi.

  Inoltre verrà estensivamente descritto un sistema informatico specializzato nel supporto all’ingegnerizzazione di un sistema ibrido fotovoltaico/eolico.  

  Progetto per l’ingegnerizzazione di un sistema FV/Eolico per ponti radio e stazioni radio base

    Lo scopo del progetto è la realizzazione di un sistema affidabile basato su fonti alternative (fotovoltaico/eolico) per l’alimentazione di ponti radio, in rispetto a tutte le esigenze di continuità e delle protezioni necessarie e previste per un buon funzionamento.  

Per la realizzazione del progetto sono richieste le seguenti tre fasi:  

· Realizzazione e installazione delle stazioni di monitoraggio

· Monitoraggio dei dati solari e meteorologici

· Ingegnerizzazione dei gruppi di alimentazione (Fotovoltaici ed Eolici)  

1. Realizzazione e installazione delle stazioni di monitoraggio   Per le attività di monitoraggio dei dati atmosferici sono richieste stazioni meteo-solari corredate con le seguenti apparecchiature: Strumentazione   Sistema di acquisizione,   elaborazione, memorizzazione e recupero dati Sistema di alimentazione per le stazioni di monitoraggio   a) Strumentazione: Ogni stazione di monitoraggio è corredata con la seguente strumentazione:

Figura 1 - Stazione di monitoraggio installata presso l’I.S.C.T.I.

  * Utilizzato per il dimensionamento dei sistemi FOTOVOLTAICI

  ** Utilizzato per il dimensionamento di sistemi eolici

b) Sistema di acquisizione, elaborazione, memorizzazione e recupero dati

  Ogni stazione di monitoraggio è corredata da un sistema programmabile di acquisizione, memorizzazione e scarico dati. Il programma è realizzato in modo da soddisfare i seguenti requisiti:

•  Tempi di acquisizione adeguati ai parametri da rilevare  

•  Prima elaborazione dei dati: integrale nel tempo, medie, memorizzazione massimi, ecc.  

• Organizzazione e memorizzazione dei dati acquisiti. La capacità di memorizzazione è strettamente collegata sia all’accessibilità del sito da monitorare e sia dal metodo di scarico dati (con linea telefonica o manualmente).  

• Recupero dei dati. Come già visto in precedenza i dati possono essere recuperati sia manualmente che telefonicamente, la scelta del metodo migliore deriva dall’analisi dei relativi costi che sono pure legati alle caratteristiche dei siti da monitorare. Un pacchetto software permette inoltre di scaricare i dati dalla “memo card” su una stazione PC per le attività di visualizzazione e stampa o per le successive aggregazioni dei dati su base annua.  

c) Sistema di alimentazione per le stazioni di monitoraggio 

In relazione al tipo di sito da monitorare è possibile scegliere, per l’alimentazione della strumentazione e del sistema di acquisizione, elaborazione e di memorizzazione dati, il metodo più conveniente tra l’alimentazione autonoma (solare) e da rete elettrica (se presente sul sito). La scelta dovrà essere guidata sia dalla disponibilità della rete elettrica stessa sia da eventuali costi di cablature dei cavi in sito.

In generale utilizzare delle stazioni con funzionamento autonomo (alimentazione solare e scarico dati con cellulare) può consentire un facile riutilizzo delle stazioni di monitoraggio in future campagne su altri siti.  

Realizzate e installate le stazioni, le attività di monitoraggio prevedono i seguenti passi:

•  Recupero dei dati dalle stazioni di monitoraggio. Periodicamente i dati devono essere recuperati dalle varie stazioni di monitoraggio installate. Questa attività può essere fatta manualmente prelevando la “memory card” del sistema di acquisizione dati (per le stazioni dotate di cellulare il recupero dati può avvenire via linea telefonica)

•  Elaborazione dei dati solari e meteorologici. I dati recuperati dalle stazioni di monitoraggio sono  integrati in una banca dati per le successive attività di analisi. Al termine del periodo di monitoraggio sarà possibile elaborare i dati raccolti in modo da ricavare le informazioni necessarie al programma software “InFEo” per l’ingegneria dei sistemi di alimentazione (basati su sistemi ibridi FV ed Eolico) per stazioni di telecomunicazioni (ponti radio e stazioni radio base)

Il livello più dettagliato di aggregazione dati richiesto per la successiva analisi, ed in particolare per il dimensionamento di eventuali impianti per la generazione di energia elettrica è quello della media, minima e massima su base oraria/giornaliera, in quanto idonei per effettuare le relative analisi statistiche per la caratterizzazione e quantificazione della resa energetica dei sistemi di generazione elettrica e per la determinazione dell’affidabilità di servizio delle utenze alimentate (carico, maximum no-sun-period, maximum no-wind-period, load loss probability etc.)

  In particolare la misura dell’irraggiamento solare sul piano orizzontale servirà da riferimento di partenza e per il confronto con le statistiche ufficiali emanate dagli enti preposti (ENEA etc.), mentre quella sul piano inclinato a 45° servirà per la quantificazione della probabile resa energetica ottenibile da un impianto solare FV installato sul sito o nelle sue vicinanze.  

La misurazione della direzione e velocità del vento servirà invece per la quantificazione della probabile resa energetica ottenibile da un aerogeneratore installato sul sito in questione.  

3. Ingegnerizzazione del sistema di alimentazione ibridi FV ed Eolici 

Per l’ingegnerizzazione e il dimensionamento delle unità di produzione di energia di alimentazione dei ponti radio e stazioni radio base è previsto l’utilizzo di un sistema informatico (InFEo: Ingegneria dei sistemi Fotovoltaici ed Eolici) in grado di:

·  Elaborare l’ingegnerizzazione del sistema di produzione di energia partendo dai seguenti dati di input:

Þ dati raccolti durante le campagne di 
   monitoraggio (es. elaborato dei dati su base annuale);

Þ specifiche dei sistemi da alimentare (utilizzatori);

Þ   protezioni, sicurezze e esigenze di continuità nell’erogazione dell’energia;

Più in dettaglio l’ingegnerizzazione comprende:

à Il dimensionamento automatico del campo fotovoltaico e/o sistema eolico;

à Il dimensionamento e la proposta del sistema elettrico per la gestione dell’energia prodotta dai pannelli FV (Balance of system) come:

Þ   scelta delle tensioni di funzionamento;

Þ   DC/DC converter;

Þ   batterie;

Þ   DC/AC converter (inverter).  

• dare una valutazione economica indicativa;

• fornire le specifiche di dettaglio delle caratteristiche dell’intero sistema di produzione di energia. Tali   specifiche potranno essere utilizzate come annesso tecnico per eventuali richieste di offerta.

Il sistema informatico InFEo ha le seguenti caratteristiche:

• interfaccia utente amichevole ed intuitiva (User friendly interface);

• possibilità di integrare oggetti multimediali come: fotografie, filmati, suoni;

• formativo nella realizzazione dei sistemi fotovoltaici. Il programma è in grado, ad esempio, di avvertire l’utente ogni qual volta vengano eseguite delle scelte in contrasto con i principi di risparmio energetico strettamente collegati con l’utilizzo di sorgenti alternative.

  La Figura 2 rappresenta la finestra principale del tool InFEo dove:

- Il flusso di energia dai generatori (eolici e fotovoltaici) alle utenze viene schematizzato proponendo sia  l’ingegnerizzazione del BOS che la stima delle potenze e dei costi.

- Ogni bottone o oggetto è attivo in modo da poter fornire ogni dettaglio all’utente col solo click del mouse. Ad esempio il bottone “Pannelli Solari” fornisce le specifiche dei pannelli solari (vedi Figura 3) e il bottone “Turbine Eoliche” fornisce le specifiche della turbina selezionata (vedi Figura 4)

  Figura 2 – Finestra principale di InFEo

  Figura 3 - Dimensionamento dei pannelli FV

  Figura 4 – Dimensionamento della turbina Eolica

   Sergio Coccia - Ministero delle Comunicazioni - Istituto Superiore C.T.I.  

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