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La Protezione Contro I Fulmini Negli Impianti Fotovoltaici
Quando si parla di impianti fotovoltaici, uno degli aspetti più delicati e spesso sottovalutati è la protezione contro le sovratensioni transitorie causate da fulmini. Un impianto fotovoltaico, per sua natura, si estende su ampie superfici esposte e generalmente collocate in ambienti aperti, rendendolo vulnerabile agli eventi atmosferici estremi. In particolare, l’insorgenza di tensioni anomale può causare gravi danni alle apparecchiature elettroniche collegate e agli stessi moduli fotovoltaici. È quindi fondamentale installare limitatori di sovratensione, anche detti SPD (Surge Protection Device), per garantire la longevità e la sicurezza dell’impianto.
Gli SPD sono dispositivi progettati per limitare le tensioni impulsive derivanti da fulminazioni dirette o indirette. La loro funzione consiste nel deviare a terra l’energia in eccesso prima che questa possa raggiungere e danneggiare i componenti sensibili del sistema, come inverter, quadri di campo e moduli. La normativa di riferimento in questo ambito è la CEI EN 61643-11, che classifica gli SPD in base alla loro capacità di scarica e alla tipologia di impulso che sono in grado di gestire.
Nello specifico, gli SPD di classe I sono pensati per gestire scariche molto intense, come quelle causate da un fulmine che colpisce direttamente l’impianto o una linea adiacente. Questi dispositivi sono testati con impulsi di corrente con forma d’onda di 10/350 µs, in grado di scaricare correnti fino a 25 kA o più per polo. Sono installati a monte dell’impianto, tipicamente in corrispondenza dell’arrivo della linea di alimentazione esterna.
Per quanto riguarda invece l’inverter, componente elettronico critico e costoso, si ricorre a SPD di classe II, capaci di assorbire sovratensioni più contenute ma comunque dannose, generate da fulminazioni indirette. Questi dispositivi sono solitamente testati con impulsi di forma 8/20 µs e valori di picco inferiori rispetto alla classe I, ma sufficienti a proteggere il lato DC e AC dell’inverter. Per ulteriore sicurezza, in particolare in ambienti dove sono presenti apparecchiature particolarmente sensibili, si possono aggiungere SPD di classe III, che agiscono in modo fine eliminando le sovratensioni residue.
Il collegamento degli SPD deve avvenire seguendo criteri di minima impedenza, usando cavo giallo-verde da almeno 16 mmq e percorsi il più possibile rettilinei per evitare l’innesco di tensioni elevate dovute all’induttanza del cablaggio. È altrettanto essenziale garantire che l’impianto di terra sia ben realizzato e abbia una resistenza di terra compatibile con le normative CEI e con le esigenze dell’impianto, in modo che l’energia in eccesso possa essere efficacemente dissipata nel terreno.
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Perché Le Sovratensioni Sono Un Rischio Concreto Per Gli Impianti Fotovoltaici
Nonostante si tenda a pensare che i fulmini colpiscano solo strutture elevate, nella realtà ogni impianto collocato in un’area esposta è a rischio, soprattutto se la superficie è ampia, come avviene negli impianti fotovoltaici da alcuni kW in su. Più l’impianto è esteso, maggiore è l’area che può intercettare un campo elettromagnetico indotto da una scarica atmosferica nelle vicinanze. Anche in assenza di un impatto diretto, la scarica può indurre nei conduttori tensioni differenziali e in modo comune che si propagano verso l’inverter e gli altri componenti sensibili.
Le tensioni indotte da un fulmine, anche se non sufficienti a causare l’arco elettrico o il danneggiamento immediato dei componenti, possono degradare nel tempo i materiali dielettrici, le giunzioni, le saldature e i semiconduttori, riducendo così la durata dell’intero sistema. L’effetto cumulativo di più eventi nel tempo può portare alla rottura prematura dell’inverter, spesso senza sintomi evidenti nei giorni immediatamente successivi all’evento atmosferico.
Per contrastare questi effetti, è fondamentale intervenire nel punto più vicino possibile alle stringhe fotovoltaiche, installando i limitatori nei quadri di campo. In questo modo si protegge l’inverter da eventuali picchi di tensione che potrebbero arrivare dalle stringhe stesse. Gli SPD devono essere connessi correttamente a terra, tramite un morsetto di terra dedicato, per assicurare una dissipazione efficace della corrente impulsiva. La qualità del collegamento a terra diventa in questo contesto un elemento determinante: una connessione inadeguata o con resistenza elevata può rendere inutile la presenza del dispositivo SPD.
Un ulteriore aspetto da non trascurare è l’interazione tra i moduli fotovoltaici e l’ambiente circostante: la presenza di strutture metalliche vicine, linee elettriche, alberi o tralicci può modificare il comportamento dell’impulso e rendere necessaria un’analisi puntuale del rischio di sovratensione per ciascun impianto. Per questo, nelle installazioni professionali, è consigliabile eseguire una valutazione del rischio di fulminazione secondo la norma CEI EN 62305-2, che consente di stabilire se e quali misure di protezione contro le scariche atmosferiche siano necessarie.
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Le Classi Degli SPD Fotovoltaici E Il Loro Posizionamento Strategico
I limitatori di sovratensione non sono tutti uguali, ed è fondamentale capire le differenze tra le varie classi per effettuare una scelta corretta in base al contesto installativo. Come anticipato, la classificazione CEI distingue gli SPD in tre classi principali.
Gli SPD di classe I sono quelli con la maggiore capacità di scarica, progettati per sopportare direttamente l’energia di una scarica atmosferica diretta. Hanno una forma d’onda di prova standardizzata di 10/350 µs e una capacità tipica di scarica che va da 12,5 kA fino a oltre 25 kA per polo, in funzione del tipo. Sono collocati nella parte iniziale dell’impianto, ovvero all’ingresso della linea di alimentazione, nei quadri di distribuzione principale e, in generale, in corrispondenza di zone LPZ 0A/1 secondo la zonizzazione CEI 62305. In impianti di grande taglia, la loro presenza è spesso obbligatoria.
I dispositivi di classe II, invece, sono i più diffusi negli impianti fotovoltaici di piccola e media taglia. Sono testati con impulsi di forma 8/20 µs, che riproducono le sovratensioni transitorie indotte da fulminazioni indirette o commutazioni di rete. La loro capacità di scarica va dai 5 ai 20 kA per polo, e sono realizzati tipicamente con varistori a ossido di zinco che si comportano come resistori non lineari, limitando la tensione quando supera un certo valore di soglia. Trovano collocazione ideale a protezione degli inverter, sia in corrente continua che alternata.
Infine, gli SPD di classe III sono dispositivi destinati al montaggio in prossimità dei carichi sensibili, come apparati elettronici di controllo, monitoraggio, comunicazione. Hanno una capacità di scarica ridotta, ma una risposta molto rapida e una bassa tensione residua. Non sono in grado di affrontare scariche ad alta energia, e per questo devono essere installati solo a valle di protezioni di classe I e II, come misura complementare.
Una corretta progettazione dell’impianto dovrebbe prevedere l’utilizzo coordinato di SPD di varie classi, posizionati in modo strategico lungo la catena dell’energia, per attenuare progressivamente l’impulso man mano che si avvicina ai dispositivi sensibili. Questo approccio prende il nome di protezione a livelli, ed è riconosciuto come il più efficace secondo la CEI 62305-4.
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Il Rischio Economico E Tecnico Associato Alle Sovratensioni
Oltre al danno materiale immediato causato da una scarica atmosferica, l’aspetto più critico è spesso il danno economico che ne deriva. La sostituzione di un inverter può costare diverse migliaia di euro, a cui si sommano i costi di fermo impianto, mancata produzione di energia, e interventi di manutenzione straordinaria. In particolare, in un contesto di sempre maggiore dipendenza dalla continuità operativa (come avviene per impianti in autoconsumo con accumulo), una fermata dell’impianto può compromettere seriamente il ritorno economico dell’investimento.
A livello normativo, la protezione contro le sovratensioni è oggi obbligatoria per impianti connessi alla rete, come previsto dalla CEI 0-21 e dalla CEI 0-16, le quali impongono la presenza di SPD in determinate condizioni, legate alla taglia dell’impianto, alla zona di rischio e alla modalità di connessione alla rete pubblica. Inoltre, per impianti fotovoltaici installati in aree ad alta densità di fulminazioni (più di 2 fulmini/km²/anno, secondo i dati CEI), la protezione con SPD è ritenuta obbligatoria anche per impianti di piccola taglia.
È quindi evidente come ignorare il problema delle sovratensioni equivalga a esporre l’impianto a rischi prevedibili, senza disporre di adeguate contromisure. In una logica di progettazione efficiente, il costo di uno o più SPD è irrisorio rispetto ai danni che essi possono evitare. Per questo, anche nei casi in cui la normativa non ne imponga l’obbligo esplicito, è buona prassi includerli come standard di qualità dell’impianto.
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La Corretta Messa A Terra: Fondamenta Di Ogni Protezione
Un impianto fotovoltaico privo di una buona messa a terra è come una diga senza fondamenta: anche il miglior SPD risulterebbe inefficace senza un percorso efficace per scaricare l’energia verso il terreno. La progettazione della rete di terra deve rispettare criteri ben precisi, sia in funzione delle normative (come la CEI 64-8) che delle caratteristiche fisiche del sito di installazione.
In ambito civile, il collegamento equipotenziale dell’impianto fotovoltaico è solitamente realizzato portando il conduttore di protezione (di colore giallo-verde) verso il nodo di terra del quadro principale, che si collega a sua volta alla barra equipotenziale e al dispersore interrato, realizzato in rame o acciaio zincato. La sezione del conduttore di terra deve essere almeno pari a quella del conduttore di fase di maggiore sezione, con un minimo di 16 mmq in rame per impianti standard. Se invece il conduttore è interrato e nudo, si raccomandano almeno 35 mmq in rame o 50 mmq in ferro zincato.
Nel caso di impianti realizzati su terreni aperti, ad esempio in contesti agricoli o industriali, il quadro cambia. Le strutture metalliche di supporto dei pannelli devono essere messe a terra direttamente, mediante dispersori verticali o anelli di terra perimetrali, al fine di garantire una continuità elettrica tra tutte le parti metalliche esposte e ridurre le tensioni di passo e contatto. Inoltre, quando gli inverter sono montati all’aperto, è essenziale che anche la scatola di connessione sia ben collegata alla rete di terra, per evitare accumuli di potenziale capaci di superare la rigidità dielettrica dei dispositivi elettronici.
