Irraggiamento solare

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Irraggiamento solare

Il Sole è la stella che si trova al centro del nostro sistema. Viene classificato dagli astronomi, per classe spettrale, come G2. L’energia media da esso irraggiata, nell’unità di tempo, su di una superficie unitaria posta all’esterno dell’atmosfera terrestre ed orientata perpendicolarmente ai raggi solari viene denominata costante solare I_cs. Tramite l’utilizzo di satelliti artificiali abbiamo potuto stimarla pari a 1367 W/m² , con distribuzione spettrale (fig. 1.1 1) detta AM0 (Air Mass Zero, assenza di atmosfera); nella stessa figura, è inoltre indicata con AM1 (Air Mass One, atmosfera standard 1) la distribuzione spettrale della radiazione solare al suolo.

Figura 1.1 1

La radiazione incidente al suolo, e quindi “utile”, diminuisce fino ad arrivare a circa 1 kW/m², cioè il 75% della radiazione al di fuori dell’atmosfera.

Si può fare l'ipotesi che il Sole si comporti, ai fini dell'irraggiamento, come un corpo nero a temperatura uniforme: utilizzando la legge di Stefan-Boltzmann è possibile valutare facilmente la temperatura di tale corpo nero equivalente.

Il flusso solare sulla superficie esterna del Sole risulta pari a:

Equazione 1. 1

dove d è la distanza media Terra-Sole ed R è il raggio solare.

La temperatura equivalente è pari a

Equazione 1. 2

essendo s la costante di Stefan-Boltzmann (5,67×10^-8 W/m² K⁴).

I valori dell'irraggiamento extraterrestre monocromatico alla distanza media Terra-Sole sono indicati in tabella 1. 1

	ultravioletto	Visibile	infrarosso
frazione di energia	0,064	0,430	0,456
energia nell'intervallo (W/m2)	88	656	623

Tabella 1. 1

Si può calcolare, mediante l’equazione 1. 1, la potenza emessa dal Sole: essa risulta pari a 3,84×10²⁰ W. La massa convertita in energia in un secondo per effetto delle reazioni di fusione nucleare è di 4,27×10⁹ kg, alla quale corrisponde una perdita di massa dello 0,0067% in un miliardo di anni. Di questa potenza solo una piccola frazione, pari a 1,73×10¹⁷ W, viene intercettata dalla Terra.

Considerando che mediamente in un anno solo un terzo di questa radiazione raggiunge la superficie terrestre e che il 70% di questa cade sugli oceani, l'energia solare annua incidente al suolo è pari a circa 13000 miliardi di TEP , 1445 volte più grande del fabbisogno energetico mondiale annuo (pari a 9 miliardi di TEP figura 1.1 2).

Figura 1.1 2

Per individuare ad un certo istante dell'anno la posizione del Sole nel cielo in una determinata località è necessario definire alcuni angoli caratteristici. Questi angoli sono:

- la latitudine L: è l'angolo che la retta passante per la località considerata ed il centro della Terra forma con il piano dell'equatore; è positiva nell'emisfero settentrionale e negativa in quello meridionale;

- l'altezza o altitudine solare a: è l'angolo formato tra la direzione dei raggi solari ed il piano orizzontale (complementare dell'angolo zenitale z);

- l'azimut solare a: è l'angolo formato tra la proiezione sul piano orizzontale dei raggi solari e la direzione sud (è positivo prima del mezzogiorno solare);

- l'angolo orario h: è la distanza angolare tra il Sole e la sua posizione a mezzogiorno lungo la sua traiettoria apparente sulla volta celeste; è anche pari all'angolo di cui deve ruotare la Terra affinché il Sole si porti sopra il meridiano locale. Tale angolo è positivo nelle ore antimeridiane. Esso risulta pari al numero di ore di distanza dal mezzogiorno moltiplicato per 15 (poiché la Terra ruota di 15 gradi all'ora alla velocità nominale di 360 gradi al giorno);

- la declinazione solare d: è l'angolo che la direzione dei raggi solari forma a mezzogiorno, sul meridiano considerato, col piano equatoriale; risulta anche pari all'angolo che i raggi solari formano a mezzogiorno con la direzione dello zenit sull'equatore e coincide inoltre con la latitudine geografica alla quale in un determinato giorno dell'anno il Sole a mezzogiorno sta sullo zenit (il che può ac-cadere solo fra i tropici); è positiva quando il Sole sta al di sopra del piano equatoriale ed è negativa quando il Sole è al di sotto di esso (vedi fig. 1.1 3).

Tutte queste considerazioni sono ormai rese più dirette e fruibili tramite la consultazione di specifiche tabelle presenti negli atlanti solari. Tale approccio, evidentemente sperimentale, ci consente una progettazione più rapida e sicuramente più accurata visto che tramite i calcoli andiamo a trascurare alcuni fattori locali importanti, come per esempio l’ombreggiamento delle nubi, che vengono invece tenuti in considerazione da tali rilievi.

Esistono, per l’irraggiamento solare italiano due diversi atlanti solari; il primo è l’atlante europeo della radiazione solare, che fornisce l’energia giornaliera che incide su una superficie unitaria, misurata in kWh/m²giorno, al variare sia del mese che dell’angolo di tilt del pannello. Queste misurazioni considerano la radiazione come somma di radiazione diretta diffusa e riflessa. I dati di questo atlante sono ricavati da misurazioni decennali. Questa accuratezza di valori tuttavia non è presente per molti siti italiani poiché l’opera è di carattere europeo.

Nella figura ….. è riportato un estratto da tale atlante che riporta la radiazione incidente su Roma.

L’ENEA ha realizzato un atlante simile che però, essendo a carattere nazionale, presenta un numero maggiore di località. Rispetto alle tabelle dell’atlante europeo, le tabelle dell’ENEA non riportano i dati relativi al variare del tilt ma solo su una superficie orizzontale. A mio parere questa scelta limita di molto la fruibilità di questo atlante, in quanto il tilt è un dato importantissimo per le scelte progettuali.

Nella figura …… è riportato un estratto dall’atlante dell’ENEA

Figura 1.1 5

Fonte: http://nrg10.wikispaces.com/file/view/TESI+SPECIALISTICA.docx

Autore del testo: non indicato nel documento di origine

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