Project MAIN MAteriaux INtelligents. A02p2/S02p2. Radiazione Solare

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1 Project MAIN MAteriaux INtelligents A02p2/S02p2. Radiazione Solare A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/081

2 Contenuti della lezione A02 part 4/S02 part 2 Definizioni: radiazioni elettromagnetiche, lunghezza d'onda e frequenza, spettro elettromagnetico. Spettro della radiazione solare: radiazione solare, irradianza, radiazione termica, UV/Vis/NIR, irradiazione, la dipendenza dalla massa d'aria e direzione, dispersione e radiazione diffusa, albedo. *Esempi di calcolo: fonti per i dati atmosferici (a seconda del sito, periodo nell'anno, orientamento, inclinazione, ecc.) ed esempi di stima (solo corso avanzato) *Topics marked with an asterisk are for the advanced course only. The related section header and the title of all related slides are also marked. A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 2

3 DEFINIZIONI A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 3

4 Bilancio termico di un tetto La Radiazione solare riscalda la superficie del tetto Riflettanza Solare SR: frazione dell energia riflessa dalla suuperficie del tetto Emittanza (o emissività) ε: capacità della superficie del tetto di reirradiare nell infrarosso il calore assorbito Convezione Assorbimento termico del tetto, che entra nell edificio: input termico nell edificio, che comporta una richiesta di raffrescamento in estate (con bassa velocità del vento, la riemissione nell infrarosso è dominante rispetto alla convezione) A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 4

5 Irraggiamento termico L irraggiamento termico è radiazione elettromagnetica emessa da una superficie a causa dell attività cinetica a livello microscopico, ovvero l oscillazione ad alta frequenza degli atomi intorno alla loro posizione media nel reticolo cristallino di una materia solida. Solo radiazione prodotta in uno strato superficiale di poche decine di millimetro emerge dalla superficie. L attività cinetica a livello microscopico è correlata alla temperatura assoluta, quella espressa in gradi Kelvin: T [K] = T [ C] Ne consegue che l irraggiamento termico è legato alla temperatura assoluta. Solo allo zero assoluto di temperatura (0 K = C) attività cinetica e irraggiamento termico sono nulli. A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 5

6 Irraggiamento termico L irraggiamento termico ha anche una distribuzione spettrale, che dipende sia dalla lunghezza d'onda che dalla temperatura assoluta. La Radiazione termica emessa da una superficie a temperatura ambiente (circa 300 K = 27 C) cade principalmente nell'infrarosso a onde lunghe (o infrarosso lontano), da 5 a 50 µm (da 5'000 a 50'000 nm, con 1 µm = 1000 nm) e non è visibile. Lunghezza d onda (µm) La radiazione solare è la radiazione termica emessa dalla superficie del sole, che è a circa 5'800 K. La radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre cade principalmente nel campo UV-Vis-NIR, 0,3-2,5 µm (cioè nm). A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 6

7 Radiazione elettromagnetica La radiazione solare è la radiazione elettromagnetica emessa dal Sole. La radiazione elettromagnetica è un fenomeno studiato dall Elettromagnetismo: essa consiste in onde che viaggiano (si propagano) nello e trasportano energia radiante. source: er/java/electromagnetic/ In fisica, la radiazione elettromagnetica viene spesso definita in modo generico "luce", mentre in altri ambiti il termine "luce" è riservato alla luce visibile, che è solo una piccola parte dello spettro della radiazione elettromagnetica. Tuttavia, il termine "luce" non è ben definito nella scienza. A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 7

8 Onde elettromagnetiche Le onde elettromagnetiche che compongono la radiazione elettromagnetica possono essere immaginato come auto-propagazione onde trasversali dei campi elettrici e magnetici oscillanti (sotto: il campo elettrico è in un piano orizzontale e il campo magnetico in un piano verticale). source: er/java/electromagnetic/ Un'onda trasversale di radiazione elettromagnetica può propagarsi con velocità c = 300'000 km/s (299'792'458 m/s nel vuoto, un po meno nell aria). Questa velocità viene indicata come la velocità della luce. A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 8

9 Lunghezza d onda e frequenza Un onda elettromagnetica viene descritta in termini di: Lunghezza d onda (λ): la distanza tra creste successive o depressioni in onda. Lunghezze d'onda può essere misurata in metri (m) o sottomultipli. Frequenza (f): il numero di onde che passano in un intervallo di tempo. Le frequenze sono generalmente misurate come cicli al secondo, che sono dati l'unità di misura Hertz (Hz). (onda a bassa frequenza) (onda ad alta frequenza) Frequenza e lunghezza d onda sono correlate dall equazione d onda: c = λ f Dove c è la velocità della luce. A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 9

10 Spettro elettromagnetico Lo spettro elettromagnetico è l insieme di tutte le possibili lunghezze d onda (o frequenze) della radiazione elettromagnetica. Lunghezza d onda (m) Frequenza (Hz) Source: A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 10

11 RADIAZIONE SOLARE A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 11

12 Intensità della radiazione solare Extraterrestrial irradiance Earth s surface irradiance L intensità della radiazione solare alle diverse lunghezze d'onda produce lo spettro della radiazione solare. I differenti corpi del Sistema Solare ricevono radiazione solare di intensità inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza dal Sole. wavelength (µm) Source: udyguide/high/solint-19.pdf A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 12

13 Solar radiation Extraterrestrial irradiance Earth s surface irradiance Lunghezza d onda (µm) La radiazione che raggiunge la superficie terrestre è inferiore a quella che raggiunge l'atmosfera esterna, poiché viene filtrata dal gas atmosferici. I raggi UV e, parzialmente, le radiazioni visibili sono filtrati dall ozono (O 3 ), mentre l'ossigeno (O 2 ), vapore acqueo (H 2 O) e anidride carbonica (CO 2 ) influenzano la radiazione visibile e i raggi IR. Tutto ciò si traduce nello spettro della radiazione solare sulla superficie della Terra. I gas atmosferici mostrano picchi di assorbimento a più lunghezze d'onda o anche per intere bande. A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 13

14 Spessore di atmosfera Source: fundamentals1/index_e.php Se il sole è perpendicolare alla superficie della Terra, la luce solare deve solo passare attraverso lo spessore dell'atmosfera (AM) volta. Questa situazione è chiamata AM 1. In tutti gli altri casi, il percorso della radiazione solare attraverso l'atmosfera è più lungo. In questo modo dipende l'altezza solare. AM 2 indica che il percorso della luce solare attraverso l'atmosfera è due volte AM 1. Questo è il caso se il sole è di 30 sopra l'orizzonte (angolo di altezza solare γ S ). In generale, la definizione della massa d'aria è AM = 1 / sin (γ S ). A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 14

15 Irradianza totale e spettrale Irradianza è la potenza della radiazione elettromagnetica incidente per unità di area su una superficie. Emittanza radiante è la potenza per unità di superficie irradiata da una superficie. Entrambe le quantità e hanno unità W/m 2. È anche comune considerare separatamente le frequenza dello spettro elettromagnetico. Quando questo viene fatto per la radiazione incidente su una superficie si dice irradianza spettrale, con unità di misura W/(m 2 nm) Lunghezza d onda (µm) Emittanza spettrale ha un significato analogo per quanto riguarda la radiazione emessa da una surface. Nello spettro della radiazione solare alla superficie terrestre, irradianza spettrale ad una data lunghezza d'onda è rappresentato dal livello corrisponde nello spettro, mentre l irradianza totale è rappresentata dall'area sotto la tutto lo spettro. A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 15

16 Radiazione termica Tutti i corpi con temperatura superiore allo zero assoluto ( C) emettono radiazioni a causa delle interazioni degli atomi o molecole vicino alla superficie, che causano un cambiamento della loro energia cinetica. L'emissione di radiazione elettromagnetica risultante è chiamato "radiazione termica. La radiazione solare è la radiazione termica emessa dalla superficie del Sole. Irraggiamento solare è la radiazione solare (ad es. termica) che raggiunge la superficie terrestre. Radiazione termica totale e spettrale aumentano con la temperatura. A temperatura ambiente (circa 300 K = 27 C), il contenuto spettrale della radiazione termica nel visibile è trascurabile. A temperatura della superficie del Sole (circa 5'800 K 5'500 C), il picco di radiazione termica cade a metà della banda visibile. Lunghezza d onda (µm) A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 16

17 Theoretical max at 5500 C Solar radiation Extraterrestrial radiation Earth s surface radiation Lunghezza d onda (µm) Radiazione solare Lo spettro della radiazione solare non coincide, ma è quasi, il massimo teorico che può essere emesso alla temperatura superficiale del Sole di circa 5'500 C. Il sole produce raggi gamma come risultato del processo di fusione nucleare interna, ma tale radiazione viene convertita per assorbimento interno prima che raggiunga la superficie del Sole e venga emessa nello spazio. Di conseguenza, il sole emette principalmente in termini di irraggiamento termico relativo alla sua temperatura superficiale, e principalmente nelle bande dell'ultravioletto (UV), visibile e infrarosso (IR). A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 17

18 Lunghezza d onda (m) Frequenza (Hz) Radiazione UV Il termine ultravioletto si riferisce al fatto che la radiazione è a frequenza superiore alla luce viola (e, quindi, invisibile all'occhio umano). L Ultravioletto C (UVC) è nell intervallo nm. Molto poco raggiunge la superficie terrestre. L Ultravioletto B (UVB) si estende sulla gamma nm. È anch esso fortemente assorbito dall'atmosfera, e insieme con UVC è responsabile della reazione fotochimica. E causa diretta di danni al DNA e scottature. L Ultravioletto A (UVA) è nell intervallo nm. Anch esso è noto per causare un danno significativo al DNA per via indiretta (formazione di radicali liberi e specie reattive di ossigeno), ed è in grado di provocare il cancro. A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 18

19 Radiazione Visibile La Luce è radiazione elettromagnetica visibile all'occhio umano, ed è responsabile del senso della vista. La luce visibile è di solito definita come avente una lunghezza d'onda nm, la gamma approssimativa entro la quale la maggior parte delle persone possono vedere abbastanza bene nella maggior parte delle circostanze. Varie fonti definiscono la luce visibile in modo restrittivo come oppure più ampiamente nm, ma in ideali condizioni di laboratorio, le persone possono vedere Infrarossi fino a 1'050 nm e più, e bambini e giovani adulti possono vedere ultravioletta fino a circa 310 nm. I Colori sono i risultati dello spettro di riflessione della luce visibile, e solo di quella! A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 19

20 Radiazione Infrarossa Lunghezza d onda (m) Frequenza (Hz) Il termine infrarosso (IR) si riferisce alla radiazione estende dal bordo rosso nominale dello spettro visibile a 700 nm (o 0,7 µm) a 1 mm (1'000 µm). La Commissione internazionale per l'illuminazione (CIE) ha raccomandato la divisione dell infrarosso in tre bande: IR-A: nm ( µm), detto anche IR vicino IR-B: to nm ( µm), detto anche IR a onda corta IR-C: nm 1 mm ( µm), suddivisi in IR a onda media (3 8 µm), IR a onda lunga (8 15 µm), IR lontano ( µm). A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 20

21 Distribuzione dell irradianza solare Più della metà dell irradianza solare rientra nella gamma degli infrarossi, che è invisibile all'occhio umano. Pertanto, i colori non possono fornire informazioni adeguate sul comportamento di una superficie insoleggiata. A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 21

22 Soleggiamento/irradiazione Soleggiamento è la quantità totale di energia della radiazione solare ricevuta su una data superficie durante un dato tempo. Si chiama anche irradiazione solare ed espressa come "oraria", "quotidiana", "mensile" o "annuale se registrata durante un'ora, un giorno, un mese o un anno. L unità di misura raccomandata dal World Meteorological Organization (WMO) è il megajoule al metroquadrato (MJ/m 2 ). Viene data anche in kwh/m 2 (1 kwh/m 2 = 3.6 MJ/m 2 ) o Wh/m 2 (1 kwh/m 2 = 1000 Wh/m 2 ). A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 22

23 L irradianza si modifica durante il giorno al variare dell'altezza solare (cioè l'angolo tra l'orizzonte e il centro del disco solare). Le condizioni Meteo (nuvole, nebbie, ecc.) o di ombreggiatura pure influenzano il ciclo di irradianza. Irradiazione giornaliera può essere vista come l'area sotto il profilo temporale della irradianza (totale). Il ciclo della variazione di altezza solare durante l'anno, o la posizione sulla superficie terrestre, influenzano quindi sia l'irradianza che l'irraggiamento giornaliero Irradianza e irradiazione irradianza [W/m 2 ] irradianza cumulative cumulativa [MJ/m 2 ] Source: Ora del giorno A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 23

24 Dipendenza dall esposizione della superficie Tipicamente, le informazioni sull irradianza o irradiazione solare vengono date in riferimento ad una superficie orizzontale. Tuttavia, diverse informazioni o strumenti software gratuiti (fatti per sistemi fotovoltaici o solari) sono disponibili per determinare radiazione solare su una superficie non orizzontale, tenendo conto dell'inclinazione e dell'orientamento della superficie. Source: A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 24

25 Dipendenza dall esposizione della superficie A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 25

26 Dipendenza dall esposizione della superficie A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 26

27 Radiazione diretta, diffusa e riflessa L'irradianza globale su una superficie orizzontale sulla Terra consiste dell'irradianza diretta e dell irradianza diffusa (cielo). Su di un piano inclinato, vi è anche l irradianza riflessa dal terreno, cioè la radiazione riflessa dal suolo. Source: tle=ground_reflectance A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 27

28 Radiazione diffusa e dispersione Radiazione diffusa del cielo è la radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre dopo che il fascio di luce diretta è stato disperso da molecole o sospensioni nell'atmosfera. È anche chiamato skylight, diffuse skylight, o radiazione del cielo ed è la ragione delle variazioni di colore del cielo. Nel processo di diffusione, le onde elettromagnetiche interagiscono con le particelle di gas atmosfero in modo elastico: lunghezza d'onda ed energia si conservano, ma la direzione di propagazione dell'onda viene modificata casualmente. La diffusione determina il colore blu del cielo di giorno, nonché il colore rosso-arancio vicino all'alba e al tramonto. Se le particelle diffondenti sono più grandi delle lunghezze d'onda della luce (ad esempio nebbia, nuvole, polvere), allora la luce viene sparsa molto di più, ma le onde lunghe e corte sono ugualmente colpite: le nubi sono di colore bianco, un cielo nebbioso è bianco e il sole, visto attraverso nubi sottili, è pure bianco. A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 28

29 Irradianza Globale L Irradianza globale su una superficie è data dalla somma di irradianza diretta e dell'irradianza diffusa (e, per superfici inclinate, anche dall irradianza riflessa). La frazione diffusa della irradianza globale su di una superficie orizzontale varia dal 10% circa per un cielo sereno fino al 100% per un cielo completamente nebbioso/nuvoloso. Naturalmente, con cielo nebbioso/nuvoloso, l irradianza globale cala drasticamente. Cielo prevalentemente sereno Cielo prevalentemente nuvoloso Source: A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 29

30 Irradianza riflessa e albedo L'irradianza riflessa dipende dall albedo (parola latina che sta per "bianco"), o riflettanza solare del suolo, che è il rapporto tra radiazione riflessa dalla superficie di radiazione incidente su di essa. L'albedo è adimensionale ed è espresso come una percentuale, che va dallo zero (nessuna riflessione) di una superficie perfettamente nera all 1 fino al 100% per la riflessione perfetta di una superficie bianca. Il termine fa riferimento a comunque all intera irradianza solare e non solo alla banda visibile. L'albedo medio globale della Terra, cioè l'albedo planetario, è 30 a 35% a causa della cortina nuvolosa, ma varia anche di molto da luogo a luogo. A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 30

31 *ESEMPI DI CALCOLO A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 31

32 *Calculation examples Source for atmospheric data (depending on site, time in the year, orientation, inclination, etc.) and estimate examples (advanced course only). A02p2/S02p2. Solar radiation del 14/11/08 32