Energia solare

Energia solare

Definizioni

Meridiano geografico: semicirconferenza verticale compresa tra i due poli;

Equatore: semicirconferenza orizzontale perpendicolare al meridiano;

Paralleli: circoli formati dall'intersezione tra qualunque piano parallelo all'equatore con la superficie terrestre.

Latitudine geografica: distanza angolare di un punto dall’equatore, misurata lungo il meridiano che passa per quel punto;

Longitudine geografica: è la distanza angolare di un punto dal meridiano fondamentale, misurata sull’arco di parallelo che passa per quel punto.

Moto della terra

Il moto della Terra può essere scomposto in due movimenti elementari:

• Moto di rotazione attorno al proprio asse
• Moto di rivoluzione attorno al sole (che causa l’alternarsi delle stagioni e la diversa altezza del sole sull’orizzonte).

Radiazione solare extraatmosferica

Il sole è una sfera di materia gassosa costituita per l’80% da idrogeno e per il 20% da elio. Il processo di fusione trasforma l’idrogeno in elio e al contempo sprigiona una potenza di 2436x10¹⁰ W.

La costante solare è l’energia solare che incide nell’unità di tempo sull’area di una superficie ortogonale ad essa, posta nello spazio a una distanza pari a quella media tra terra e sole; prima di entrare nell’atmosfera, tale energia ha una potenza di 1367 W/m².

La radiazione solare è composta da una determinata combinazione di raggi elettromagnetici di diversa lunghezza (spettro). L’atmosfera terrestre si comporta come un filtro permettendo il passaggio di solo alcuni range di lunghezze d’onda. I raggi ultravioletti, più corti, e quelli infrarossi, più lunghi, vengono assorbiti, riflessi o diffusi nell’atmosfera esterna. La somma della radiazione incidente sulla superficie orizzontale viene definita radiazione globale.

Interazione con l'atmosfera

Dovendo attraversare l’atmosfera terrestre, l’intensità dei raggi solari viene ridotta da:

• Fenomeni di riflessione
• Assorbimento molecolare (dovuto alla presenza di alcune sostanze nell’atmosfera, come l’acqua)
• Diffusione di Rayleigh
• Diffusione di Mie
• Stato del cielo (nuvolosità)

Strumenti di misura

Sono detti solarimetri e sono classificabili in base alla componente di radiazione che sono in grado di rilevare:

• Piranometri: misurano la radiazione globale;
• Piranometri con banda: rileva la componente diffusa (un sistema di ombreggiamento esclude totalmente quella diretta);
• Pireliometri: misurano la componente diretta (attraverso un sistema di inseguimento solare)

Le componenti della radiazione solare sono:

• Componente diretta: parte di radiazione solare che raggiunge la superficie in oggetto senza variazioni di percorso (I);
• Componente diffusa: dovuta all’attraversamento dell’atmosfera terrestre (D);
• Componente riflessa: parte di radiazione riflessa nell’ambiente circostante la superficie in oggetto da altre superfici (R);
• Radiazione globale: G=I+D+R

Componente riflessa

Coefficiente di Albedo: capacità di una superficie di riflettere una radiazione solare verso l’esterno;

Declinazione solare δ: angolo formato dai raggi solari col pieno equatoriale a mezzogiorno; è positiva quando il sole sta al di sopra del piano equatoriale, negativa quando è al di sotto; viene calcolata attraverso la relazione di Cooper.

Angolo orario ω: distanza angolare tra il sole e la sua posizione a mezzogiorno lungo la sua traiettoria apparente lungo la volta celeste (positivo nelle ore antimeridiane);

Latitudine Φ: angolo formato dall’equatore e la retta passante per il centro della terra e la località considerata (positiva nell’emisfero settentrionale e negativa in quello meridionale);

Altitudine solare γ: è l’angolo formato tra la direzione dei raggi solari e il piano orizzontale;

α Azimut solare: angolo formato tra la proiezione sul piano orizzontale dei raggi solari e la direzione sud (positivo prima del mezzogiorno solare);

Calcolo della radiazione solare sulla superficie terrestre in giornate serene

• Metodo ASHRAE
• Irraggiamento diretto orario
• Irraggiamento diffuso orario

Calcolo della radiazione solare su un piano inclinato: metodo Liu-Jordan

Consente di calcolare:

• Il valore di radiazione diffusa giornaliera, partendo dal valore di radiazione globale giornaliera;
• I valori orari di radiazione diretta e diffusa, partendo dai valori giornalieri.

Una volta individuate le componenti dirette e diffuse della radiazione oraria su piano orizzontale si può valutare la radiazione globale incidente su una superficie inclinata (β) mediante la somma delle sue componenti.

Stima della radiazione giornaliera diffusa

(Se non sono presenti nei dati climatici) Il metodo si basa sull’ipotesi di poter calcolare il tasso di nuvolosità giornaliera attraverso il rapporto tra la radiazione globale giornaliera raccolta su una superficie posta orizzontalmente al suolo (G_or) e quella che verrebbe raccolta dalla stessa superficie fuori dall’atmosfera (G_o).

La relazione che lega la componente diffusa a quella globale è data dall’espressione: K = G_t / G_o

Dove è chiamato indice mensile di serenità e G_o è la radiazione globale su superficie orizzontale o extratmosferica al giorno ennesimo calcolata nel seguente modo:

Una volta nota la radiazione diffusa su un piano orizzontale, la componente diretta giornaliera I_or = G_or - D_or si trova per sottrazione:

Stima della radiazione oraria dai valori di radiazione media giornaliera

I valori orari della radiazione globale per il giorno medio mensile possono essere valutati a partire dai valori di radiazione giornaliera media mensile G:

Con r fattore moltiplicativo calcolabile secondo la relazione Collares-Pereia e Rabl:

Anche la radiazione diffusa oraria può essere calcolata allo stesso modo:

Possiamo ora calcolare i valori orari della componente diretta:

Calcolo della radiazione solare oraria su un piano inclinato

Collettori solari termici

Sistemi a bassa temperatura: In questi dispositivi l’energia radiante del sole è convertita in energia termica; alcuni possono sfruttare la solo componente diretta, mentre altri consentono di utilizzare anche quella diffusa e riflessa. La radiazione solare giunge al dispositivo di captazione, viene assorbita dall’...