Malta testa sistemi che possono rilevare prima i difetti dei pannelli solari e le perdite di produzione

I ricercatori hanno utilizzato dieci impianti solari di Malta come laboratori in condizioni reali per testare metodi attraverso i quali i guasti e le perdite di produzione possono essere identificati prima che causino problemi maggiori. Il progetto PROMISE, finanziato attraverso il programma europeo Horizon, ha combinato sensori, repliche digitali degli impianti, analisi automatica dei dati e formazione pratica per i tecnici, in un ambiente esposto a estati molto calde, aria salina e episodi di polvere sahariana.

In breve, Malta ha circa 3.000 ore di sole all'anno, ma le alte temperature, l'aria marina e le tempeste di polvere sahariana creano condizioni difficili per il funzionamento a lungo termine dei pannelli fotovoltaici. I ricercatori hanno monitorato dieci impianti reali utilizzando sensori che misurano la produzione di elettricità, la luce solare, il vento e la temperatura. I dati possono indicare il momento in cui è necessaria un'intervento di manutenzione. Il progetto ha sviluppato repliche digitali degli impianti e strumenti basati su intelligenza artificiale per testare scenari e identificare automaticamente le deviazioni che possono segnalare un guasto. Gli studenti e i tecnici sono stati formati per esaminare i pannelli attraverso ispezioni visive, fotografie, liste di controllo e test di elettroluminescenza che possono rivelare crepe o difetti nascosti. Gli impianti solari di piccole dimensioni rappresentano circa metà della capacità fotovoltaica europea e possono affrontare problemi simili di monitoraggio e manutenzione, specialmente quando i proprietari non hanno contratti di servizio specializzati.

Malta offre condizioni favorevoli per la produzione di elettricità solare, ma è anche un ambiente impegnativo per le attrezzature. L'isola ha circa 3.000 ore di sole all'anno, e i pannelli sono esposti simultaneamente a temperature elevate, umidità e sale trasportato dall'aria marina, così come alla polvere portata periodicamente dal Sahara.

Queste condizioni consentono ai ricercatori di osservare in un intervallo più breve problemi che in altre aree d'Europa possono apparire più lentamente. Il presidente della Foundation for Innovation and Research – Malta e coordinatore del progetto PROMISE, Brian Azzopardi, ha spiegato che i sistemi che resistono nell'ambiente maltese dovrebbero poter funzionare anche in altre regioni europee con condizioni meno severe.

PROMISE ha analizzato per tre anni metodi per migliorare il monitoraggio, la manutenzione e l'affidabilità dei sistemi fotovoltaici. Il progetto non si è concentrato solo sulle prestazioni dei nuovi pannelli, ma anche su come gli impianti già installati possano essere mantenuti in funzione per un periodo più lungo.

L'uso dell'energia solare si è rapidamente espanso a Malta a partire circa dal 2010, con il supporto di sovvenzioni pubbliche e programmi comunitari. Secondo la stima presentata da Azzopardi, il livello di adozione è arrivato a circa il 20%-22%, dopo che in precedenza era quasi inesistente.

L'aumento del numero di impianti ha reso più visibile il problema della manutenzione. Un impianto fotovoltaico può continuare a produrre elettricità anche se uno o più pannelli non funzionano più alla capacità normale. Il proprietario può notare il guasto solo dopo che la perdita di produzione diventa sufficientemente grande da apparire nelle bollette o nei dati generali del sistema.

Il ritardo può consentire l'estensione del danno o l'accumulo di perdite di produzione. Il team del progetto ha cercato di identificare i cambiamenti prima che il guasto diventi evidente per il proprietario.

I ricercatori hanno installato sensori disponibili in commercio che misurano la quantità di elettricità prodotta, la radiazione solare, la temperatura e la velocità del vento. Il confronto della produzione effettiva con il tempo e le condizioni operative consente di differenziare tra una diminuzione normale causata da nuvole e una perdita che può indicare un problema tecnico.

I dati sono stati inseriti in un sistema di monitoraggio in grado di stimare quando potrebbe essere necessaria la manutenzione. L'obiettivo è che le verifiche e le riparazioni possano essere programmate prima che il problema causi una significativa diminuzione della produzione.

Il team ha sviluppato anche gemelli digitali, repliche informatiche degli impianti reali. Un tale modello riproduce il comportamento del sistema e consente di testare diverse situazioni senza interventi diretti sull'impianto fisico.

I ricercatori possono confrontare i dati ricevuti dai pannelli con i risultati che il modello considera normali nelle stesse condizioni. Una differenza persistente tra il comportamento reale e quello stimato può segnalare un guasto, un'ombreggiatura nuova, sporcizia, il deterioramento di un pannello o un problema in un'altra componente.

Gli strumenti basati su intelligenza artificiale analizzano continuamente i dati e segnalano automaticamente le anomalie. Il sistema non ripara l'impianto e non stabilisce da solo con certezza la causa di un problema, ma può attirare l'attenzione del tecnico su un punto che necessita di verifica.

Il monitoraggio si è svolto in dieci "Living Labs", impianti reali utilizzati simultaneamente per la produzione di energia, ricerca e formazione degli specialisti. Questo approccio consente di testare gli strumenti in condizioni quotidiane, senza limitarsi a esperimenti realizzati esclusivamente in laboratorio.

Gli impianti fotovoltaici possono perdere prestazioni per vari motivi. La polvere, lo sporco e le feci degli uccelli possono ridurre la luce che raggiunge le celle. La costruzione di un edificio vicino può creare un'area d'ombra che non esisteva al momento dell'installazione dei pannelli, e le temperature, il sale e le sollecitazioni meccaniche possono contribuire al deterioramento delle componenti.

I sistemi fotovoltaici hanno poche parti mobili, ma ciò non significa che non necessitino di verifiche. I cavi, le connessioni, gli inverter, i supporti e la superficie dei pannelli possono subire difetti o degradi che riducono la produzione o compromettono la sicurezza dell'impianto.

Il problema è particolarmente rilevante per gli impianti di piccole dimensioni sui tetti delle abitazioni. I proprietari di questi impianti non sempre beneficiano di contratti di manutenzione ampi o di sistemi avanzati di monitoraggio, e alcuni guasti possono rimanere inosservati per un lungo periodo.

Il progetto ha trattato la formazione del personale come parte della stessa problematica. L'espansione della capacità solare crea la necessità di tecnici e ricercatori che comprendano il funzionamento degli impianti, possano interpretare i dati e possano identificare i difetti fisici.

Gli studenti che hanno partecipato alle scuole internazionali estive hanno visitato gli impianti e hanno lavorato con dati provenienti dai sistemi reali. Hanno imparato a effettuare ispezioni visive, a fotografare e a documentare i difetti e a utilizzare liste strutturate di controllo.

Un metodo più avanzato utilizzato nella formazione è stata l'elettroluminescenza. Durante il test, l'elettricità viene introdotta in senso inverso in un pannello solare, e le celle emettono una luce infrarossa molto debole, invisibile all'occhio umano.

Telecamere specializzate possono registrare questa luce e possono mostrare aree in cui le celle non funzionano uniformemente. Il metodo consente di rilevare crepe molto piccole e altri difetti che potrebbero non essere visibili quando il pannello viene esaminato dall'esterno.

Il team ha utilizzato anche giochi, esercizi di associazione e simulazioni per la formazione dei partecipanti. Uno dei giochi riproduce la situazione di un tecnico che deve diagnosticare un impianto, decidere quali interventi sono necessari e gestire un budget di manutenzione.

L'esercizio riflette il fatto che la manutenzione non significa solo identificare un difetto. Il tecnico deve interpretare i dati, stabilire la priorità dell'intervento, discutere i costi e coordinare la riparazione con il proprietario o l'amministratore dell'impianto.

Per il pubblico più giovane, i ricercatori hanno creato anche uno spettacolo chiamato "Dance of the Photon", in cui il movimento dei danzatori spiega la trasformazione della luce solare in elettricità all'interno di una cella fotovoltaica. L'attività è stata concepita per presentare un processo tecnico in una forma più facile da seguire.

L'importanza della manutenzione non è limitata a Malta. Gli impianti di piccole dimensioni rappresentano circa metà della capacità fotovoltaica totale dell'Europa, secondo le informazioni presentate dal progetto. Molti sono collocati su abitazioni o su proprietà di piccole imprese e possono avere accesso limitato a monitoraggio e servizio specializzato.

Gli strumenti testati a Malta potrebbero aiutare i proprietari e i tecnici a identificare prima le diminuzioni anomale di produzione. La loro applicazione in altri paesi dipenderà da costi, compatibilità con gli impianti esistenti, qualità dei dati e capacità del personale di interpretare gli avvisi.

Il progetto non dimostra che qualsiasi sistema che funziona a Malta resisterà automaticamente ovunque in Europa. Le condizioni climatiche, i tipi di impianti e le cause dei guasti variano tra le regioni, e le soluzioni devono essere validate per l'ambiente in cui si prevede di essere utilizzate.

PROMISE è stato finanziato attraverso il programma dell'Unione Europea per la ricerca e l'innovazione Horizon. Il progetto ha riunito ricerca tecnica, test in impianti reali, strumenti digitali e attività di formazione per il settore fotovoltaico.

I gemelli digitali sono utilizzati in diversi settori per riprodurre il comportamento di un'attrezzatura o di un sistema fisico. Nel caso degli impianti solari, essi consentono di confrontare la produzione reale con le prestazioni stimate e di simulare gli effetti causati da condizioni meteorologiche, ombreggiature, degrado o guasti.

La manutenzione predittiva utilizza i dati per stimare quando è probabile che si verifichi un problema o quando un intervento diventa necessario. Essa differisce dalla manutenzione effettuata solo dopo un guasto e dalle verifiche effettuate a intervalli fissi, indipendentemente dallo stato dell'impianto.

L'espansione dell'energia solare aumenta il numero di attrezzature che devono essere monitorate nel corso di diversi decenni. La durata effettiva di funzionamento e la quantità totale di elettricità prodotta dipendono dalla qualità dei componenti, dall'installazione, dalle condizioni locali e dalla manutenzione effettuata dopo l'installazione.

I risultati e l'esperienza accumulati a Malta possono essere utilizzati per ricerche future e per lo sviluppo di programmi di formazione. Il materiale pubblicato non specifica che gli strumenti creati siano già diventati prodotti commerciali disponibili su tutti i mercati europei e non quantifica la riduzione dei costi o l'aumento della durata di vita ottenuta attraverso il loro utilizzo.