Perché i fulmini sono così distruttivi per un impianto fotovoltaico?
Il danno causato da un fulmine non dipende solo dalla probabilità d’impatto diretto, ma soprattutto dall’enorme quantità di energia rilasciata in un istante. Un fulmine diretto può raggiungere una corrente di picco tra 30 e 200 kA, una tensione fino a 100 milioni di volt e una durata di soli pochi microsecondi. I principali effetti fisici responsabili dei danni sono tre:
- Effetto termico: il passaggio istantaneo della corrente attraverso conduttori metallici, moduli fotovoltaici o cavi può portare la temperatura a migliaia di gradi in una frazione di secondo, causando la fusione dei metalli, l’esplosione delle giunzioni e la distruzione dei moduli.
- Induzione elettromagnetica: il campo elettromagnetico generato da un fulmine può indurre tensioni di migliaia di volt nei cavi vicini, anche se non colpiti direttamente, danneggiando apparecchiature sensibili come bus RS485, moduli di comunicazione e sistemi di monitoraggio.
- Innalzamento del potenziale: la corrente che entra nel terreno si diffonde nella rete di terra, creando differenze di potenziale di decine o centinaia di volt nei punti di connessione, provocando “contraccolpi di terra” che possono danneggiare inverter, batterie e altri componenti del sistema attraverso i conduttori di terra.
Un impianto fotovoltaico per aziende, composto da numerosi dispositivi a semiconduttore collegati in serie, è particolarmente sensibile alle sovratensioni transitorie. Quando il picco di tensione supera 1 kV, componenti come i diodi bypass o i transistor MOS sono facilmente soggetti a guasti irreversibili. Inoltre, gli impianti fotovoltaici sono spesso installati in aree aperte, prive di ostacoli o su strutture metalliche, risultando naturalmente esposti ai fulmini più delle comuni apparecchiature domestiche.
Per questo, la protezione contro i fulmini non è solo una misura contro eventi estremi, ma una parte essenziale della progettazione di sicurezza di un sistema fotovoltaico aziendale.
Perché un impianto fotovoltaico aziendale è particolarmente esposto al rischio di fulmini?
A differenza delle apparecchiature elettriche comuni, un impianto fotovoltaico aziendale è spesso installato su tetti, in aree aperte o ad alta quota, trovandosi così in una posizione naturalmente esposta al rischio di fulmini. Tuttavia, l’impatto dei fulmini non si limita al semplice “colpo diretto”. Prima di comprendere come proteggere un impianto fotovoltaico per le aziende, è fondamentale conoscere le tre principali modalità di danno causate da un fulmine:
1. Fulmine diretto: la forma più distruttiva
Quando un fulmine colpisce direttamente i moduli fotovoltaici, le strutture di supporto o la sommità di un edificio, l’elevata corrente e temperatura rilasciate in un istante possono causare:
- Perforazione dei diodi bypass nei moduli, distruzione delle celle solari;
- Incendio o fusione dei cavi, con conseguente effetto hot spot;
- Interruzione della catena dei moduli e paralisi dell’intero impianto di produzione.
In particolare, gli edifici alti, senza ostacoli e situati in zone a forte attività temporalesca sono più vulnerabili ai fulmini diretti. In questi casi, è consigliabile installare parafulmini, progettare un sistema di messa a terra adeguato e assicurarsi che i conduttori di discesa siano distanti dai circuiti a bassa tensione.
2. Induzione elettromagnetica: un danno nascosto ma frequente
Anche se il fulmine non colpisce direttamente l’impianto, l’impulso elettromagnetico può generare alte tensioni nelle strutture metalliche e nelle linee di comunicazione, provocando gravi danni a:
- Moduli di comunicazione (es. data logger, bus RS485);
- Circuiti di interfaccia dell’inverter;
- Dispositivi di monitoraggio intelligenti e altri componenti elettronici a bassa tensione.
Quando la tensione indotta supera 1 kV, i danni possono variare da una semplice interruzione della comunicazione fino a incendi causati da archi elettrici. È essenziale installare SPD a più livelli in prossimità di inverter, quadri di stringa e interfacce di comunicazione, migliorando al contempo schermatura e collegamenti equipotenziali.
3. Contraccolpo del potenziale di terra: l’effetto “boomerang” del fulmine
Quando un fulmine colpisce il suolo o edifici vicini, la corrente si diffonde nella rete di terra e può “risalire” attraverso i cavi di messa a terra, danneggiando l’impianto fotovoltaico aziendale. Gli effetti includono:
- Distruzione dei quadri di stringa;
- Sovratensioni sulle batterie con accumulo, con conseguente degrado o esplosione;
- Sovratensioni inverse lato rete, che danneggiano inverter o carichi elettrici.
Se il sistema di messa a terra non è progettato correttamente, presenta un’elevata resistenza o è collegato alla rete di terra dell’edificio, l’intero impianto fotovoltaico con accumulo per aziende sarà più vulnerabile a questi contraccolpi. Si raccomanda di ottimizzare il progetto di messa a terra (resistenza ≤ 4Ω), evitare la condivisione con altri sistemi elettrici e installare isolatori o limitatori nei punti critici.
È sempre necessario installare un parafulmine per un impianto fotovoltaico?
1. È obbligatorio il parafulmine in tutti i contesti?
2. Punti critici da rispettare nell’installazione del parafulmine
Anche se le condizioni dell’impianto fotovoltaico permettono l’installazione di un parafulmine, è fondamentale rispettare i seguenti requisiti per garantirne l’efficacia e la sicurezza:
- Il parafulmine deve essere più alto dei moduli fotovoltaici e formare un cono di protezione, preferibilmente entro un angolo di 45°, per garantire copertura completa;
- Deve mantenere una distanza minima di ≥5 metri dai pannelli, per evitare ombreggiamenti che riducono la produzione dell’impianto fotovoltaico per imprese;
- La resistenza di messa a terra dovrebbe essere ≤4Ω, collegata a una rete di terra affidabile, evitando falsi collegamenti;
- I conduttori di discesa devono essere installati lungo i muri o le strutture esterne, evitando incroci con i cavi fotovoltaici per non generare tensioni indotte;
- L’installazione deve essere eseguita da ditte elettriche qualificate, nel rispetto delle normative sulla protezione contro i fulmini (es. IEC 62305 o GB 50057).
Diagramma della struttura del sistema di protezione con parafulmine
Un parafulmine installato in modo scorretto può attirare i fulmini senza disperderli correttamente, aumentando il rischio per l’intero sistema. Per questo motivo è fondamentale seguire rigorosamente le normative tecniche, evitando installazioni “fatte a caso solo per sentirsi tranquilli”. La decisione di installare un parafulmine deve essere basata sull’analisi specifica del progetto, considerando l’altezza dell’edificio, la presenza di ostacoli circostanti e il rischio di temporali nella zona.
Quali progetti fotovoltaici devono investire in un sistema completo di protezione contro i fulmini?
La protezione dai fulmini non è obbligatoria per ogni impianto fotovoltaico, ma in alcuni casi specifici, per motivi di costo, rischio e conformità normativa, una protezione sistemica è passata da “raccomandazione” a “necessità”. Nei seguenti tre scenari tipici, si consiglia di considerare prioritariamente l’investimento in una protezione completa contro i fulmini.
1. Impianti fotovoltaici installati in zone ad alta attività temporalesca
Se il progetto si trova in regioni soggette a temporali frequenti, come le coste del Mediterraneo, le zone montane o le aree costiere, è consigliabile includere un sistema completo di protezione, anche se la scala dell’impianto non è elevata. In queste aree, i temporali estivi sono comuni e, nonostante la bassa probabilità di impatto diretto, l’esposizione ripetuta può danneggiare moduli e sistemi di comunicazione, fino a causare incendi o l’arresto dell’intero impianto.
Si raccomanda una protezione doppia, sia esterna che interna: parafulmini esterni e anelli equipotenziali di messa a terra, combinati con SPD multilivello lato inverter e protezioni sulle porte di comunicazione. Se necessario, aggiungere isolatori di alimentazione per garantire la sicurezza dell’impianto in aree a elevata frequenza di fulmini.
2. Sistemi che includono componenti a bassa tensione come accumulo o moduli di controllo
Per impianti fotovoltaici con accumulo per aziende, sistemi di monitoraggio intelligente, comunicazione RS485 o moduli di controllo remoto, i componenti a bassa tensione sono particolarmente vulnerabili alle sovratensioni indotte. In contesti come tetti industriali, serre agricole o stazioni di raccolta dati remote, i danni da fulmini indotti possono causare frequenti interruzioni delle comunicazioni e perdite di dati.
È necessario rafforzare la protezione interna: installare SPD multilivello sulle interfacce di comunicazione, lato accumulo e porte a bassa tensione dell’inverter, assicurando un collegamento equipotenziale completo e un sistema di messa a terra chiuso, per impedire l’infiltrazione di fulmini indotti nei circuiti di comunicazione.
3. Impianti installati su tetti leggeri, esposti e senza protezioni strutturali
Tetti di capannoni rurali, serre agricole o piccoli magazzini spesso utilizzano lamiere leggere o pannelli sandwich, privi di barriere laterali, e rappresentano punti elevati suscettibili a fulmini diretti. Inoltre, queste strutture solitamente non includono una rete di messa a terra o una progettazione antifulmine adeguata, esponendosi al rischio di danni strutturali o infiltrazioni d’acqua.
Si consiglia l’adozione di un sistema semplificato: parafulmini leggeri, conduttori di discesa collegati alla base e messa a terra separata, il tutto progettato per non aumentare il carico strutturale. L’integrazione dei componenti di protezione nei moduli fotovoltaici consente di creare un circuito protettivo efficace con il minimo costo.
Come costruire un sistema di protezione dai fulmini “adeguato” al costo minimo?
Non tutti i progetti fotovoltaici richiedono un sistema di protezione completo, costoso e complesso. In presenza di budget limitato e rischio controllabile, una scelta tecnica ragionata e un design semplificato possono comunque garantire una protezione efficace e con il miglior rapporto qualità-prezzo. Ecco tre consigli utili per le aziende che desiderano ottimizzare i costi nella fase di realizzazione dell’impianto fotovoltaico per azienda.
1. La protezione esterna va semplificata, ma non eliminata
Per impianti fotovoltaici aziendali di piccole e medie dimensioni, installati su tetti senza ostacoli e con strutture metalliche evidenti, non è necessario costruire grandi sistemi di parafulmini. Tuttavia, è indispensabile prevedere almeno un parafulmine base o dei conduttori di discesa collegati a terra. L’impiego di strutture leggere con conduttori integrati e rete di terra permette di proteggere l’impianto senza aumentare il carico strutturale: una delle soluzioni più efficienti in termini di costo.
2. La protezione interna deve concentrarsi sui “punti critici”
Se l’impianto include dispositivi a bassa tensione (come moduli di accumulo, sistemi di monitoraggio o acquisizione dati remota), è importante installare scaricatori SPD multilivello su interfacce di comunicazione, ingressi dell’inverter e quadri di stringa, senza necessariamente estendere la protezione all’intero impianto. L’uso di SPD modulari sostituibili facilita la manutenzione e riduce i costi operativi nel tempo.
3. Sfruttare le caratteristiche antifulmine integrate nei moduli
Alcuni moduli fotovoltaici di ultima generazione integrano diodi bypass, hanno una struttura a bassa impedenza e connettori ottimizzati per la messa a terra. Queste soluzioni aiutano a ridurre gli effetti dei fulmini indotti e dei contraccolpi del potenziale di terra. Nella scelta dell’impianto fotovoltaico con accumulo per aziende, considerare prodotti con protezioni native può rendere efficace una strategia di “protezione leggera + componenti collaborativi”, riducendo così i costi complessivi.
Per progetti fotovoltaici integrati in edilizia (BIPV), si consiglia di includere la protezione contro i fulmini, la messa a terra e gli SPD già nella fase iniziale di progettazione, così da ottimizzare la fusione tra struttura e sicurezza.
Durante l’implementazione delle misure di protezione, è importante non trascurare questi dettagli:
- I cavi fotovoltaici devono essere installati lontano da elementi metallici sul tetto (es. antenne, scaldabagni), per ridurre i percorsi dei fulmini indotti;
- Tutti i cavi che attraversano pareti o tetti devono essere sigillati per evitare infiltrazioni d’acqua e rischi d’incendio;
- Gli SPD devono essere controllati regolarmente per verificare l’invecchiamento, l’allentamento dei cavi o la corrosione;
- È vietato accumulare oggetti sopra i moduli, per evitare ombreggiamenti che possono causare hot spot e incendi.
Conclusione
Durante l’estate, i temporali sono più frequenti e la protezione antifulmine degli impianti fotovoltaici non deve essere vista solo come un obbligo normativo. Si tratta di un elemento fondamentale per garantire la continuità operativa e la redditività dell’investimento. Ogni decisione, dalla scelta del progetto all’analisi climatica, fino alla configurazione del sistema elettrico, incide direttamente sull’efficacia e sul valore a lungo termine delle soluzioni di protezione. Solo un sistema di protezione ben calibrato, coerente con lo scenario e correttamente implementato può garantire sicurezza reale e una produzione energetica continua e affidabile nel tempo.
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Riferimenti
IEC. (2010). IEC 62305 – Protezione contro i fulmini. International Electrotechnical Commission. https://webstore.iec.ch/publication/2472
Phoenix Contact. (2023). Protezione contro i fulmini e le sovratensioni per impianti fotovoltaici. Phoenix Contact GmbH & Co. KG. https://www.phoenixcontact.com/en-us/products/lightning-and-surge-protection
SMA Solar Technology AG. (2022). Informazioni tecniche – Protezione da sovratensioni per inverter. SMA Solar Technology AG. https://www.sma.de/en/products/solar-inverters.html
Meteonorm. (2024). Database meteorologico globale per ingegneri e progettisti. Meteotest AG. https://meteonorm.com
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