Impianto solare a 12 V per camper, furgone o baita: dimensionamento, componenti e collegamenti

Come è fatto un impianto a 12 V

Ogni impianto off-grid a 12 V ha gli stessi pochi componenti. Pannelli e alternatore caricano una batteria, ciascuno con il proprio caricabatterie; tutto ciò che usi si alimenta dalla batteria, direttamente a 12 V o tramite un inverter; e ogni cavo che parte dalla batteria ha il suo fusibile.

I componenti dell’esempio; ogni sezione qui sotto spiega come sono stati dimensionati.

Si parte dal bilancio energetico

Tutto si dimensiona a partire da un solo numero: i wattora (Wh) che consumi in un giorno, cioè la potenza di ogni carico per le ore in cui funziona. Un frigo a compressore non va di continuo, quindi conta il suo assorbimento medio nella giornata, non il valore di targa; d’estate, con il caldo, sale parecchio. Un wattmetro per corrente continua, o il monitor batteria descritto più avanti, ti dice quanto consumano davvero i tuoi apparecchi.

I valori di frigo, pompa e telefono sono quelli preimpostati nel calcolatore off-grid; sostituisci ogni riga con i tuoi dati.

Il portatile si ricarica con un caricatore USB-C a 12 V invece che tramite l’inverter: come mostra la sezione sull’inverter, basta questo per risparmiare più energia di quanta ne usino luci e pompa insieme.

Il calcolatore off-grid con questi sei carichi, 1,5 giorni di autonomia, 4 ore di sole equivalenti e pannelli da 200 W: i numeri di questa guida.Apri l’esempio nel calcolatore

Dimensionare la batteria

La batteria deve coprire i giorni senza sole che vuoi superare, usando solo la parte della capacità che può dare senza rovinarsi. Su un furgone che si ricarica anche in marcia bastano uno o due giorni; una baita usata tutto l’anno ne chiede di solito due o tre. Con 633 Wh al giorno, 1,5 giorni e una LiFePO4 utilizzabile all’80 %, il calcolatore chiede 1,2 kWh, cioè 99 Ah a 12 V: una batteria LiFePO4 da 100 Ah.

LiFePO4 o AGM?

• La LiFePO4 rende l’80 % o più della capacità per migliaia di cicli e pesa molto meno. Lo stesso esempio con una AGM, utilizzabile al 50 % e con un rendimento di carica dell’85 %, chiede circa 158 Ah. Il nostro confronto LiFePO4 e AGM entra nei dettagli.
• L’AGM costa meno all’acquisto e si può caricare anche sotto zero; dura molto di più se scende raramente sotto metà carica.
• Il freddo. Le celle al litio non vanno caricate sotto zero: il manuale dei regolatori Victron avverte che le batterie al litio rischiano danni se caricate sotto i 5 °C, e la batteria Lithium NG della stessa Victron accetta carica solo tra +5 e +50 °C. Scaricarle al freddo invece va bene. Se la batteria può trovarsi sotto zero, scegline una con protezione dalla carica a bassa temperatura o con riscaldamento integrato.

Dalla pagina prodotto o dal datasheet di ciascun produttore. Le batterie Victron Lithium Smart e Lithium NG richiedono un BMS esterno: non comprarle senza. Su qualsiasi batteria controlla la corrente del BMS rispetto al carico più grande (un inverter può chiedere 100 A), le tensioni di carica e la protezione dal freddo.

Per leggere la carica dalla tensione usa la nostra tabella delle tensioni LiFePO4 a 12 V, ma non aspettarti molto: a riposo una LiFePO4 a 12 V segna tra circa 12,8 e 13,4 V dal 20 al 90 % di carica. Per questo conviene un monitor batteria.

Pannelli e ore di sole equivalenti

Le ore di sole equivalenti sono l’energia solare della giornata sul pannello, in kWh/m², espressa in ore di pieno sole a 1000 W/m². Dipendono da stagione, latitudine e inclinazione del pannello, e contano più di qualsiasi altro dato. Come ricorda il nostro calcolatore off-grid, d’inverno nell’Europa centrale e settentrionale possono scendere sotto le 2 ore, mentre d’estate arrivano spesso a 5 o 6.

• Dimensiona sul mese peggiore che vuoi coprire. Per un furgone usato da maggio a settembre conta il più debole di quei mesi; per una baita usata tutto l’anno, dicembre.
• Piano o inclinato. D’inverno i pannelli posati in piano sul tetto di un furgone raccolgono molto meno di quelli di una baita, inclinati verso il sole. Nei mesi freddi un’inclinazione forte (attorno alla latitudine o più) aiuta anche a far scivolare la neve.
• Cerca il dato della tua zona. Su PVGIS apri i dati mensili, scegli la località e spunta l’irraggiamento orizzontale per un tetto piano, o quello all’inclinazione dei tuoi pannelli per una baita; dividi i kWh/m² di ogni mese per i suoi giorni.

Per il nostro furgone progettiamo su 4 ore di sole equivalenti: verificale sui mesi in cui viaggi. Il calcolatore chiede allora almeno 274 W, tenendo conto del 20 % di perdite, del rendimento del regolatore (95 %) e di un margine del 25 % per ricaricare dopo le giornate nuvolose. Due pannelli da 200 W danno 400 W, che in una giornata così raccolgono circa 1,2 kWh e riportano la batteria piena circa 1,8 giorni dopo un giorno e mezzo senza sole. Con 1,5 ore, come su un tetto piano d’inverno, gli stessi carichi chiederebbero 800 W (vedi il calcolo): più di quanto stia sul tetto di un furgone, ed è per questo che sui mezzi si carica anche dall’alternatore.

Serie o parallelo, e le ombre

• In serie le tensioni si sommano e la corrente resta quella di un pannello: cavo più sottile dal tetto e la tensione che piace ai regolatori MPPT. Ma l’ombra su un pannello abbassa la resa di tutta la stringa, e solo i diodi di bypass dei pannelli ne limitano l’effetto.
• In parallelo si sommano le correnti: ogni pannello lavora per conto suo, e conviene sui tetti dove un oblò, un portapacchi o un albero ombreggiano un pannello. Il cavo però porta il doppio della corrente.
• Fusibili in parallelo. Il datasheet di ogni pannello indica la corrente massima del fusibile in serie: 20 A per il Renogy RSP200D, che ha una corrente di cortocircuito di 11,05 A. Con due pannelli in parallelo, uno guasto può ricevere solo la corrente dell’altro, meno di 20 A; con tre ne può ricevere 22,1 A, quindi ogni pannello deve avere il suo fusibile.

Dai datasheet dei produttori. Su qualsiasi pannello controlla Voc, Isc, il coefficiente di temperatura della Voc e il fusibile massimo in serie, e misura il tetto prima di comprare.

MPPT o PWM, e come dimensionare il regolatore

Un regolatore PWM collega il pannello direttamente alla batteria, quindi un pannello pensato per circa 18 V lavora vicino ai 13 V della batteria e spreca fino a circa un quarto della potenza. Un MPPT converte la tensione più alta e conserva quasi tutta la potenza. Il PWM va bene per un pannellino; per un impianto come il nostro l’MPPT si ripaga.

La corrente

Il calcolatore divide i 400 W dei pannelli per 12 V (33,3 A) e arrotonda a un regolatore da 40 A. In pratica la batteria si carica a 13 V o più, quindi 400 W danno al massimo circa 31 A: basta un regolatore dichiarato almeno per quella corrente e per 400 W a 12 V. I datasheet Victron dicono che, se colleghi più potenza fotovoltaica, il regolatore limita la potenza in ingresso: uno un po’ più piccolo taglia solo le ore più luminose.

La tensione: la verifica a freddo

La tensione a vuoto (Voc) di un pannello sale quando fa freddo, ed è massima in un’alba gelida, prima che il carico la abbassi. Due RSP200D in serie danno 46 V a 25 °C; con −0,28 % per °C, a −10 °C diventano 50,5 V. Il manuale Victron consiglia un altro 10 % di margine nei climi freddi: 55,6 V, ben al di sotto del limite di un regolatore da 75 o da 100 V. Un terzo pannello in serie arriverebbe a 75,8 V a −10 °C (69 V a 25 °C), oltre il limite di un regolatore da 75 V, e Victron precisa che i danni da tensione FV troppo alta non sono coperti dalla garanzia. Usa la temperatura più bassa che ti aspetti: in montagna non bastano −10 °C.

Voc(freddo) = Voc × pannelli in serie × (1 + coefficiente × (25 °C − temperatura minima))
2 × 23,0 V × (1 + 0,0028 × 35) = 50,5 V

I pannelli devono anche far partire il regolatore: gli MPPT Victron si avviano quando la tensione FV supera quella della batteria di 5 V, e continuano fino a 1 V sopra. Due pannelli da 12 V in serie sono ben oltre; uno solo basta con buona luce.

Dai datasheet dei produttori. Per un solo pannello da 200 W basta il Victron 100/20 (20 A, 290 W a 12 V); il 75/15 è dichiarato per 15 A e 220 W. Su qualsiasi regolatore controlla: corrente ≥ watt dei pannelli ÷ 13 V, tensione FV massima ≥ Voc a freddo più il 10 %, un profilo LiFePO4 con tensioni regolabili e un modo per non caricare sotto zero (sonda di temperatura o collegamento al BMS della batteria).

Cavi, fusibili e sezionatori

I cavi sottili sprecano energia in calore e ingannano il regolatore, che misura la batteria attraverso di loro. Wiring Unlimited di Victron consiglia di stare sotto il 2,5 % di caduta; il nostro calcolatore della sezione dei cavi parte dal 3 % e controlla anche il cavo rispetto al fusibile. Per i 40 A del regolatore su 1,5 m indica 10 mm² (caduta dell’1,7 %) con un fusibile tra 50 e 60 A: il 6 mm² basterebbe per la caduta, ma la sua portata è inferiore al fusibile da 50 A.

Dal regolatore alla batteria: 40 A, 1,5 m, 3 % di caduta.Apri il calcolatore dei cavi

Il cavo dal tetto porta i 10,42 A della stringa a 38,4 V, quindi può essere sottile: per 5 m il calcolatore indica 2,5 mm² con l’1,9 % di caduta (verifica). Le prolunghe solari con connettori MC4 di solito hanno comunque una sezione maggiore; Victron ricorda che gli MC4 accettano cavo solare da 4 o 6 mm². Per pannelli portatili da collegare all’esterno, i connettori Anderson Powerpole sono una scelta diffusa.

I fusibili alla batteria

Ogni cavo positivo che parte dalla batteria o dalla barra ha un fusibile a quell’estremità, dimensionato sul cavo, così un corto in qualsiasi punto lo fa saltare. Con il litio Victron chiede anche che almeno un fusibile abbia un potere di interruzione pari almeno alla corrente di cortocircuito della batteria: chiedi quel dato al produttore della batteria.

Intervalli da Wiring Unlimited di Victron, con il datasheet Littelfuse dei MEGA e il portafusibili MRBF di Blue Sea Systems. Usa i fusibili a lama solo per i rami piccoli, in un portafusibili più a valle.

Sezionatori

• Sezionatore dei pannelli. Il manuale Victron chiede un modo per scollegare tutti i conduttori attivi del campo fotovoltaico. Usa un interruttore o un magnetotermico per corrente continua, dimensionato per la Voc a freddo e la corrente dei pannelli, non un componente per corrente alternata.
• Staccabatteria. Un interruttore sul positivo ti permette di lavorare in sicurezza; Victron consiglia di sezionare solo il positivo. Il Battery Switch di Victron è dichiarato per 275 A continui fino a 60 V. Se non hai l’interruttore, togli il fusibile principale.
• L’ordine. Collega al regolatore prima la batteria, poi i pannelli: gli MPPT Victron riconoscono la tensione dell’impianto dalla batteria.

Caricare dall’alternatore: il caricabatterie DC-DC

Unire le due batterie con un relè (il classico separatore di carica) funzionava con il piombo sui mezzi meno recenti. Con la LiFePO4 no: per la sua bassa resistenza interna, la batteria al litio assorbe tutta la corrente che l’alternatore riesce a dare, per tutto il tempo che può, e la tensione di carica è quella del veicolo, non quella giusta per la batteria. Un caricabatterie DC-DC limita la corrente e applica il profilo di carica della batteria servizi.

Molti veicoli recenti (gli Euro 6, come li chiama il manuale Victron) hanno un alternatore intelligente che varia la tensione e si spegne quando al motore non serve. Un DC-DC lo gestisce se sa quando il motore è acceso: l’Orion-Tr Smart di Victron lo capisce dalla tensione (parte a 14 V e si ferma a 13,1 V con l’impostazione per alternatori intelligenti), il DCC30S di Renogy usa un filo del segnale di accensione. Prima di collegare qualsiasi cosa, verifica come è gestito l’alternatore del tuo mezzo.

Dalle pagine e dai manuali dei produttori. Su qualsiasi DC-DC controlla la corrente rispetto a quella che l’alternatore può cedere, un profilo LiFePO4, il supporto agli alternatori intelligenti e il fusibile e il cavo d’ingresso indicati dal produttore.

Il cavo d’ingresso è quello grosso: 360 W in uscita all’87 % sono circa 414 W in ingresso, circa 33 A dalla batteria motore. Su 5 m il calcolatore indica 16 mm² con un fusibile tra 50 e 80 A, come la tabella di Victron (16 mm², 60 A).

Ingresso del DC-DC: 33 A su 5 m.Verifica il cavo

Batteria gelata. Nessuno di questi caricabatterie DC-DC indica nella documentazione un blocco legato alla temperatura della batteria: con una batteria che può gelare, l’alternatore la caricherebbe gelata mentre guidi. Usa una batteria che blocchi la carica al freddo o si riscaldi da sola (le Renogy Pro riscaldate, la SuperPack NG di Victron), oppure fai spegnere il caricabatterie da un dispositivo che misura la temperatura: l’Orion-Tr Smart ha un ingresso di accensione e spegnimento a distanza che si può usare per questo.

L’inverter: onda sinusoidale pura, consumo a vuoto e picchi

L’inverter trasforma i 12 V in alternata come quella di casa. Sceglilo a onda sinusoidale pura, con la stessa forma della rete per cui sono progettati gli apparecchi, e dimensionalo su due numeri: la potenza continua di tutto ciò che accendi insieme e il picco di avviamento di motori e compressori. Poi guarda il terzo: il consumo a vuoto.

Il consumo a vuoto è quello che si dimentica. Il Phoenix 12/500 di Victron assorbe 6,0 W senza carico, 144 Wh al giorno se resta acceso: tre volte il nostro router. Ricarica il portatile tramite l’inverter invece che con il caricatore USB-C e il consumo giornaliero sale a 792 Wh, la batteria a 124 Ah (vedi nel calcolatore). In modalità ECO (1,0 W, si risveglia quando compare un carico) diventano 672 Wh e 105 Ah. Meglio ancora: alimenta a 12 V tutto ciò che puoi e tieni l’inverter spento.

Dai datasheet dei produttori. Su qualsiasi inverter controlla la potenza continua alla tua temperatura (quella dei Victron cala a 40 °C), il picco, il consumo a vuoto, la tensione d’uscita del tuo paese e il cavo e il fusibile lato batteria indicati dal manuale.

Il cavo dell’inverter porta la corrente più alta dell’impianto: un carico da 1000 W assorbe quasi 100 A a 12 V. Segui il manuale (per il 12/500 Victron chiede 6 mm² fino a 1,5 m, 10 mm² fino a 3 m, e un fusibile in più vicino alla batteria oltre 1,5 m) e controlla che il BMS della batteria ammetta quella corrente.

Il monitor batteria

La tensione a riposo di una LiFePO4 si muove pochissimo tra il 20 e il 90 %, quindi un voltmetro non ti dice la carica. Un monitor con shunt conta ogni ampere-ora che entra ed esce. Lo shunt va sul negativo: al polo negativo della batteria si collega solo lo shunt, e tutti gli altri negativi arrivano sull’altro lato dello shunt, come nello schema qui sopra.

Dalle pagine dei produttori. Controlla che lo shunt regga più della corrente massima e che nulla lo scavalchi.

L’esempio, componente per componente

Nei calcolatori: esempio off-grid, cavo del regolatore, cavo del DC-DC, cavo dal tetto.

Una versione economica dell’esempio potrebbe usare una LiTime da 100 Ah, due pannelli RSP200D, un EPEver Tracer4210AN e il monitor Renogy; una di fascia alta, la SuperPack NG, lo SmartSolar 100/50 e l’Orion-Tr Smart 12/12-30 di Victron: la SuperPack NG ha già BMS e monitor batteria integrati, quindi lo SmartShunt è facoltativo. La versione economica, invece, non ha nessun blocco della carica al freddo (questo modello LiTime non ce l’ha ed EPEver non ne indica): se la batteria può gelare, scegli la LiTime riscaldata o un’altra batteria con protezione dal freddo. Mescolare le marche va bene, purché ogni caricabatterie sia impostato sulle tensioni di carica della batteria. I numeri del calcolatore sono il minimo: un pannello in più o una batteria da 150 Ah costano meno che restare senza corrente.

Sicurezza

• Fissa la batteria. Su un veicolo deve restare al suo posto anche in un incidente: usa i punti di fissaggio del produttore o un contenitore fissato con cinghie.
• Crimpa, non attorcigliare. Usa capicorda della misura giusta, crimpati con una pinza adatta, e stringi i morsetti alla coppia indicata nel manuale. Un capicorda allentato scalda.
• Proteggi i cavi. Passacavi dove attraversano la lamiera, niente spigoli vivi, e il passaggio sul tetto sigillato.
• Il lato a 230 V. L’uscita di un inverter è pericolosa come una presa di casa. Su un veicolo, prima di modificare l’impianto elettrico, verifica le norme locali e l’assicurazione; in un edificio, fai realizzare o controllare i collegamenti fissi in alternata da un elettricista abilitato, dove le norme lo richiedono.
• Freddo e caldo. Niente carica del litio sotto zero senza protezione; tieni batteria e regolatore ventilati e lontani dal calore del motore.
• Un fusibile per batteria. Con più batterie in parallelo, ognuna ha il suo fusibile, così un guasto in una non viene alimentato dalle altre.
• Precarica l’inverter. I condensatori d’ingresso assorbono un forte picco al primo collegamento: su una batteria al litio può provocare un arco sul morsetto o far scattare il BMS. Caricali prima per qualche secondo attraverso una resistenza, poi fai il collegamento definitivo.
• Anche l’AGM. Una batteria AGM è sigillata, ma va comunque ventilata, e non va mai caricata se è gelata.

Errori comuni

• Dimensionare i pannelli su luglio e chiedersi perché a ottobre la batteria è scarica.
• Un regolatore da 75 V con tre pannelli da 12 V in serie: a 25 °C la tensione va bene, in una mattina gelata è troppo alta.
• Lasciare l’inverter acceso per un carico piccolo: il consumo a vuoto può superare il carico.
• Fusibili scelti sull’apparecchio e non sul cavo, o montati all’estremità sbagliata.
• Un relè tra la batteria del veicolo e una LiFePO4 invece di un caricabatterie DC-DC.
• Negativi collegati direttamente alla batteria, scavalcando lo shunt: il monitor non vede quella corrente.
• Fidarsi della tensione per capire la carica di una LiFePO4.