Fotovoltaico - prima parte

Angolo di altezza solare β (altezza del sole dall’orizzonte): è l’angolo

 formato tra la direzione dei raggi solari ed il piano orizzontale; è l’angolo

complemetare allo zenit θ 90 – β = θ



Angolo azimutale α (posizione rispetto alla direzione sud; devo

 specificare se E=+90 o viceversa e così per W): è l’angolo orizzontale tra

il piano verticale passante per il sole e la direzione del sud, (=0 in

direzione sud, positivo verso E e negativo verso W o viceversa a seconda

delle convenzioni).

Questi due angoli dipendono dalla declinazione δ (angolo formato dalla

direzione dei raggi solari con il piano dell’equatore), dalla latitudine e

dall’angolo orario ω (misura il tempo in gradi a partire dal mezzogiorno solare)

Come definisco la

posizione di un punto sulla terra? Per determinare con precisione la posizione di

un punto sulla Terra non uso Lat – Lon in gradi perché troppo grossolani (1

grado solo corrispondono a 111 km). Una volta nota la posizione di progetto

userò un sistema UTM. UTM sta per Universal Transverse Mercator questo



sistema divide la Terra in tante carte (l’Italia sta tra la UTM 32 o 33). All’interno

di ciascuna carta la posizione è definita in coordinate cartesiane espresse in

metri misurate rispetto a un punto di riferimento specifico per ogni carta. Oltre

a indicare le coordinate UTM è fondamentale specificare anche lo sferoide

utilizzato come riferimento, dato che la Terra non è perfettamente sferica lo



sferoide più usato è WG584 basato su dati satellitari. È necessario disporre di

sistemi GPS professionali e di un topografo che utilizza un rover che misura la

distanza da un punto di riferimento dove si conoscono perfettamente le

coordinate (toponimo). Per ottenere una precisione ancora maggiore (del cm)

posso utilizzare il sistema Cassini – Soldner usato per definire le particelle

catastali.

Esempio carta italiana UTM – WG584 – 32T – XY (coordinate)



La posizione del sole dipende da variabili di tipo:

Orbitali (declinazione solare e giorno dell’anno), posizionali (lat, lon), temporali

(ora locale e ora solare), geometriche (azimuth, angolo di inclinazione)

Considerando il disegno

abbiamo che: Se θ=0 sono perpendicolare al sole e

prendo il massimo.

Per conoscere l’ora solare esatta di una località devo usare il Tempo solare

apparente (in ore) (AST) oppure H se lo vogliamo esprimere in gradi la

posizione del sole. Il tempo solare apparente rappresenta l’ora solare effettiva

in un punto specifico sulla terra tenendo conto della posizione del sole rispetto

a quel punto (considerando che un fuso orario sono 15 gradi di longitudine). E’

utilizzato per la valutazione delle ombre e per capire in modo preciso quale

porzione del pannello è irraggiata dal sole. ET è dato in tabella.

L’ENERGIA DEL SOLE

Il Sole è una stella ed è sede di reazioni termonucleari a catena. Nella reazione

di fusione isotopi pesanti dell’idrogeno (in genere Deuterio- H e Trizio- H) si

2 3

combinano per formare elio + 1 neutrone; la massa finale è inferiore alla massa

di partenza dei due isotopi e la parte mancante si ritrova come energia

rilasciata, nel caso specifico pari a 17,6 [MeV].

Attraverso queste razioni a cascata si produce una temperatura nel nucleo tra

16 e 40 milioni di Kelvin; attraverso una serie di processi radioattivi e convettivi

avviene il trasferimento del calore alla superficie (5780K) dove inizia

l’irraggiamento verso lo spazio.

Il flusso di radiazione uscente dalla superficie del sole è pari a 3.85∙10 kW.

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Sulla terra arriva un flusso radiante pari a 1.75∙10 kW. La quantità media di

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energia che incide nell’unità di tempo su una superficie unitaria posta nello

spazio prende il nome di costante solare I ed è 1370 W/m . Nel suolo

2

CS

scende a 1000 W/m . Il sole è assimilabile a un corpo nero la cui energia

2

radiante è E = σT . Di conseguenza il flusso sarà dato da E*superficie e dovrà

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essere uguale a quella che attraversa la sfera di raggio r 0

da cui trovo T superficiale. Il sole si

comporta come un corpo nero che irradia energia nello spazio. La radiazione

elettromagnetica è così composta:

9% ultravioletto

 39% nel visibile 0.4 < λ <0.7

 52% nell’infrarosso



Il massimo della radiazione (la trovo con la legge di Wien) la ho per il verde (λ

= 0.48 μm)

Nel passaggio attraverso l’atmosfera, l’intensità dell’irraggiamento solare si

attenua: una parte viene riflessa, diffusa in tutte le direzione, assorbita dalle

molecole d’aria e riemessa come radiazione infrarossa.

La parte di irraggiamento che

raggiunge direttamente il suolo costituisce la radiazione diretta

(preponderante) mentre la parte rimanente costituisce la radiazione diffusa. A

queste va infine aggiunta la radiazione riflessa o albedo, che rappresenta la

percentuale di radiazione diretta e diffusa che viene riflessa dal suolo o dalle

superfici circostanti sulla superficie considerata. La parte riflessa non la sfrutta

il pannello perché arriva con un’inclinazione sbagliata.

ATTENUAZIONE DOVUTA ALL’ATMOSFERA

Tutti i costituenti atmosferici contribuiscono in maniera più o meno grande

all’attenuazione della radiazione solare nel suo viaggio verso la superficie

terrestre: Gli strati alti dell’atmosfera assorbono principalmente i raggi X e

l’ultravioletto (grazie soprattutto all’ozono). Negli strati atmosferici più bassi

l’attenuazione è dovuta al vapor d’acqua (l’acqua assorbe l’infrarosso e si

scalda) e all’anidride carbonica. La radiazione diffusa può essere una parte

considerevole del flusso di radiazione incidente su una superficie orizzontale;

quando il Sole è basso sull’orizzonte, la quota di radiazione diffusa può arrivare

al 50% del totale. Ciò è dovuto al fatto che l’attenuazione della radiazione

solare è anche funzione dello spessore di atmosfera attraversata. Per valutare

tale spessore si ricorre ad una grandezza definita massa d’aria (AIR MASS):

rapporto tra la distanza che i raggi solari fanno per arrivare a me (percorso) e

quello ortogonale a me. AM può essere calcolato come segue:

Si pone AM=0 per la radiazione

extraterrestre (non c’è attraversamento dell’atmosfera). Questo parametro è

molto importante nella caratterizzazione delle prestazioni elettriche dei

pannelli fotovoltaici.

Infatti La norma CEI EN 60904-3 considera la curva AM1.5 (inclinazione per

cui il rapporto tra percorso effettuato e quello più diretto è 1.5) come

radiazione solare di riferimento da tenere durante le prove in laboratorio dei

pannelli fotovoltaici e una radiazione di 1000 W/m (la migliore possibile quindi

2

sulla terra) con T cella a 20 C (non quella ambiente). Si crea in laboratorio un

o

cielo artificiale che simula la distribuzione della radiazione solare. Si misurano

poi tensione e corrente (DC) attraverso un multimetro e un amperometro ad

induzione e determino le prestazioni del pannello.

ALBEDO

Abbiamo visto come la radiazione solare dipende dall’albedo del terreno

circostante. L’albedo è la frazione della radiazione globale che viene riflessa

dalla superficie che la riceve nello spettro del VISIBILE. I valori più bassi si

registrano nel caso di humus arato e umido, i valori più alti con sabbia chiara o

neve; al ridursi della compattezza del terreno o all’aumentare dell’umidità,

l’albedo diminuisce. L’albedo delle superfici liquide varia considerevolmente in

relazione della trasparenza dell’acqua e delle condizioni di illuminazione: con

Sole alto si hanno valori del 3-5%, quando il Sole è basso e non ci sono onde si

arriva al 65%.

Ovviamente la costante solare viene avvicinata man mano che l’altitudine

aumenta perché diminuisce lo spazio attraversato dalla radiazione

nell’atmosfera. E’ positivo perché le temperature in montagna sono più basse,

ho un AM più basso quindi ho una resa enorme ma devo sovradimensionare i

cavi (vado oltre P di targa misurata in condizioni standard).

DIAGRAMMI SOLARI

I diagrammi solari sono rappresentazioni grafiche del percorso solare alle

diverse ore del giorno di qualsiasi periodo dell’anno. sono diagrammi, tracciati

per ogni latitudine, in cui sono riportati l’altezza solare β e l’azimut α nei vari

periodi dell’anno. Possono essere in coordinate polari o in coordinate

cartesiane. Consentono di valutare l’impatto delle ombre e ottimizzare il

posizionamento dei pannelli per massimizzare la produzione energetica

Il più usato è il diagramma solare polare. l’altezza solare β sono i cerchi

concentrici (simmetrici nei mesi con i due solstizi), mentre l’azimut α è

rappresentato dalla posizione rispetto al sud dei raggi

per l’emisfero australe considero

l’immagine speculare scambiando nord e sud. Sotto la linea 21 dicembre ho

ombra.

Il diagramma solare cartesiano è un po’ più intuitivo perché è una proiezione

verticale del percorso solare così come sarebbe visto da un osservatore posto

sulla terra.

Quando si progetta un impianto fotovoltaico è fondamentale valutare

l’impatto delle ombre sulla produzione energetica. Attraverso l’uso di

diagrammi solari, permette di visualizzare le aree ombreggiate in funzione

dell’ora del giorno e del periodo dell’anno. Tuttavia non è sempre conveniente

eliminare tutte le ombre. E’ accettato quindi una perdita di produzione del 3%

dovuta all’ombreggiamento. SCRIVI COME SI FA

Un altro metodo per prevedere la posizione del Sole nel cielo si basa sul

sistema della meridiana. Questa è un diagramma solare polare in cui viene

disegnata la linea seguita dall’ombra dell’estremità di un’asta verticale di data

altezza, detto gnomone; ad ogni punto della linea corrisponde un orario e ad

ogni linea un mese.

OMBRE

Vi sono diversi metodi per valutare le ombre che si hanno su una superficie

dovuta a oggetti circostanti:

1 metodo: questo metodo è usato per costruzioni di grandi dimensioni.

impiega la meridiana orizzontale. Occorre il modello in scala del manufatto che

interessa e di tutto ciò che sta attorno ad esso. inserire in un angolo del tavolo

la meridiana relativa alla latitudine appropriata (ossia piegando lo gnomone

così che diventi parallelo all’asse di ro