RADIAZIONE SOLARE. David Chiaramonti, Daniele Fiaschi. Ultimo aggiornamento: Giugno 2006 Versione: 1.3. Radiazione Solare

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1 RADIAZIONE SOLARE David Chiaramonti, Daniele Fiaschi Ultimo aggiornamento: Giugno 2006 Versione: 1.3 Corso: ENERGIE RINNOVABILI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 1 Radiazione Solare Il sole emette una potenza pari a circa miliardi di Megawatt, di cui solo circa 1350 W/m² raggiungono l atmosfera terrestre. A causa della dispersione nell atmosfera, la superficie terrestre viene raggiunta da circa 1000 W/m² (valori medi). Tale valore, utilizzato come riferimento di massima potenza di irraggiamento per il dimensionamento, è comunque possibile solo in una giornata con cielo sereno. Corso: ENERGIE RINNOVABILI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 2

2 Albedo Quantità percentuale di radiazione riflessa dalla superficie terrestre rispetto alla radiazione incidente Corso: ENERGIE RINNOVABILI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 3 Alcune definizioni introduttive INSOLAZIONE Energia media giornaliera (in kwh /m 2 giorno) che colpisce una superficie piana orizzontale IRRAGGIAMENTO Potenza istantanea (in kw /m 2 ) che colpisce la stessa superficie L insolazione cresce avvicinandosi all equatore Anche le condizioni climatiche hanno una influenza sull insolazione Corso: ENERGIE RINNOVABILI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 4

3 Il Sole δ δ Per individuare la sua posizione (sistema Tolemaico) si definiscono: Latitudine (ψ) Altezza (θ o β): angolo tra sole e piano dell orizzonte Azimut solare (φ): deviazione angolare dalla direzione Sud spostamento angolare ad E o W del Meridiano locale (mattina negativo, pomeriggio positivo) Declinazione (δ): posizione del sole all apice (noon) rispetto al piano dell equatore Corso: ENERGIE RINNOVABILI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 5 Il Sole Altezza solare (θ o β): Corso: ENERGIE RINNOVABILI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 6

4 Corso: ENERGIE RINNOVABILI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 7 Corso: ENERGIE RINNOVABILI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 8

5 Corso: ENERGIE RINNOVABILI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 9 Il Sole e la sua radiazione L intensità della radiazione solare fuori dall atmosfera (costante solare) vale circa 1.4 kw/m 2 Tutta l energia solare utilizzabile è sotto forma di radiazione elettromagnetica avente lunghezza d onda compresa circa tra 0,2 e 3 micron Max intensità spettrale di radiazione emessa dal Sole è a 0.48 micron Radiazione extraterrestre: 7% UV (0,2 0,4 µm) H 0 =radiazione solare fuori dall atmosfera 42% visibile ( µm) 51% infrarosso (0.7-3 µm) G SC (o I SC ) = costante tutto l anno H H =f(latitudine, altitudine, stagione, ora condizioni meteorologiche locali) H H =radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre Molecole responsabili delle bande di assorbimento La radiazione solare si divide in quattro parti attraversando l atmosfera: 1) riflessa verso lo spazio (nubi) 2) diffusa in tutte le direzioni (urto con N 2, O 2, vapore, CO 2, O 3 ) 3) assorbita e riemessa come IR in tutte le direzioni dalle molecole costituenti l atmosfera 4) una parte raggiunge direttamente la superficie terrestre (radiazione diretta) 2+3=radiazione diffusa Corso: ENERGIE RINNOVABILI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 10

6 Il Sole e la sua radiazione Costante Solare Isc : I sc (o G sc ) = 1367 W/m 2, corrispondente ad un flusso orario di 4921 MJ/m 2 L orbita ellittica della terra varia (+/- 1.7 %, con min il 21 Dicembre e max il 22 Giugno) In Dicembre la terra riceve circa il 7 % in più di energia δ Corso: ENERGIE RINNOVABILI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 11 Insolazione Durata del giorno a diverse latitutidini Corso: ENERGIE RINNOVABILI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 12

7 Misura della radiazione solare SOLARIMETRI Classificazione in base alla componente misurata PIRANOMETRO: misura la radiazione globale PIRANOMETRO CON BANDA OMBREGGIANTE: misura la componente diffusa (la banda ombreggiante elimina la diretta) PIRELIOMETRO: misura la sola radiazione diretta (tracking necessario) Classificazione in base al principio di funzionamento SOLARIMETRI A TERMOPILA: termocoppie in serie che generano una V di uscita Q alla intensità della radiazione solare incidente. SOLARIMETRI AD EFFETTO FOTOVOLTAICO: sistema PV in silici cristallino. V Q alla intensità della radiazione solare incidente. Corso: ENERGIE RINNOVABILI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 13 Radiazione Solare La radiazione solare si divide in tre componenti: Diretta: colpisce la superficie con un determinato angolo Diffusa: colpisce la superficie con angoli diversi Riflessa: radiazione riflessa dalle superfici circostanti Corso: ENERGIE RINNOVABILI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 14

8 Insolazione L energia che colpisce una superficie: Si misura in KWh/m 2 giorno o mese o anno, e corrisponde ai kwh che in un dato intervallo di tempo hanno raggiunto una superficie elementare di 1 m 2. La superficie riceve la massima energia se è perpendicolare ai raggi incidenti. Poiché i raggi sono raramente perpendicolari e l energia è distribuita durante la giornata o il mese o l anno, i kwh risultanti saranno pari al contributo dato da tutte le ore di luce secondo l incidenza dei raggi. Corso: ENERGIE RINNOVABILI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 15 Insolazione Inclinazione ed orientamento del pannello influenzano l energia prodotta L ideale è incidenza perpendicolare al pannello Corso: ENERGIE RINNOVABILI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 16

9 Fondamenti di Energia Solare Declinazione Posizione angolare del sole all apice (mezzogiorno solare) rispetto al piano dell equatore Equazione di Cooper (in ) : con n = giorno dell anno La declinazione varia tra (21 Dic.) e (21 Giu.) δ δ Angolo di ora solare (Solar hour angle) Spostamento angolare ad Est od Ovest del Meridiano locale E pari a zero all apice Varia di 15 per ora Esempio: alle 08:00 (4 ore all apice) è pari a -4 x 15 = - 60 Angolo al tramonto (ω s ): angolo del sole al momento del tramonto cos ω s = - tan ψ tan δ (dove δ = declinazione e ψ = latitudine) Corso: ENERGIE RINNOVABILI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 17 Fondamenti di Energia Solare Radiazione solare fuori dell atmosfera (extraterrestrial radiation) Radiazione solare H 0 al di fuori dell atmosfera terrestre dove δ = declinazione, ψ = latitudine, n=giorno dell anno, G s =costante solare (1,367 W/m 2 ) Indice di chiarezza o trasparenza (Clearness Index) E il rapporto tra la radiazione solare che raggiunge la superficie e quella extraterrestre Indice di Chiarezza medio mensile K T dove H ed H 0 sono valori medi mensili su una superficie orizzontale K T varia tra 0.3 (località con cielo molto coperto) a 0.8 (molto sereno) Risente delle caratteristiche dell atmosfera es scattering dovuto a sabbia od umidità Corso: ENERGIE RINNOVABILI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 18

10 Energia producibile da un pannello Funzione di: 1) latitudine del sito Si ricava 2) valori di irraggiamento sul piano orizzontale (H H ) per quel luogo 3) inclinazione dei pannelli rispetto al piano orizzontale Curve giornaliere di irraggiamento extraterrestre (H 0 ) insolazione sul piano orizzontale in funzione di questi, si può calcolare la curva di irraggiamento giornaliero sul piano inclinato (H T ), detta Tilted irradiance H 0 GEN FEB MAR APR MAG GIU LUG AGO SET OTT NOV DIC H H [W/m 2 ] 164,6 202,4 237,8 252,9 263,1 264,2 262,8 258,1 234,3 210,3 183,1 158,1 Per sito a Lat (ψ) 20 nord Corso: ENERGIE RINNOVABILI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 19 Curva di irraggiamento giornaliero sul piano inclinato H T Determina quanta potenza potranno produrre le celle fotovoltaiche o i collettori solari Varie correlazioni, tutte basate sulla conoscenza del rapporto tra H H ed H 0 da cui si ricava il rapporto tra la radiazione diffusa sul piano orizzontale (H H,dif ) e quella totale H H Dalla conoscenza delle parti diffusa e diretta della radiazione si calcola l insolazione sul piano inclinato H T K t = H H /H 0 (Clearness Index) H H,dif = H H [1,390-4,027 K t +5,5531 (K t ) 2-3,108 (K t ) 3 ] H T,dif = 0,5 H H,dif [1+cosβ+ρ (1-cosβ)] H T,dir = H H,dir sin(α+β)/sinα δ H T = H T,dif + H T,dir H T,dif = frazione diffusa della radiazione sul piano inclinato H T,dir = frazione diretta della radiazione sul piano inclinato H T = radiazione globale che arriva su tale piano β = inclinazione rispetto all orizzontale del piano dei pannelli ρ = riflessione del terreno (anche ρ g ) α = π/2 ω 6δ angolo che tiene conto della latitudine ψ del sito e della declinazione δ del sole δ m =23 45 sin [2 π (d 81)/365] Andamento orario di H T : noto il valore orario di H 0 e di H H, può essere ricavato (SC = costante solare). Corso: ENERGIE RINNOVABILI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 20

11 Curva di irraggiamento giornaliero sul piano inclinato H T Per calcolare la radiazione media mensile nel piano del collettore si può utilizzare la seguente formula: Contributo Radiazione Diretta dove H b = radiazione media solare diretta R b = fattore esclusivamente geometrico Dipende da orientamento del collettore, latitudine, giorno dell anno β = inclinazione del collettore ρ g = riflessione del terreno Contributo Radiazione Diffusa Riflessione della Radiazione Corso: ENERGIE RINNOVABILI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 21 Irraggiamento giornaliero sul piano inclinato H T in mesi tipo per latitudine ψ = 20 Nord H 0 H 0 H H H T H 0m H Tm H T H Hm H Tm H 0m H H H Hm m = valore medio Ipotesi: stesso andamento giornaliero di H H ed H 0 (preciso con poca nuvolosità) β=20 (pannelli affacciati a sud) H T può essere maggiore o minore di H H a seconda dei mesi Andamenti simmetrici rispetto a mezzogiorno e varia la durata del giorno medio nei mesi Corso: ENERGIE RINNOVABILI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 22

12 Ottimizzazione di H T nei diversi mesi e relative componenti Per il sito scelto (ψ = 20 ) il massimo valore di H T nei diversi mesi si ottiene per un inclinazione dei pannelli solari pari a circa 19 rispetto al suolo GEN FEB MAR APR MAG GIU LUG AGO SET OTT NOV DIC H T,dif [W/m 2 ] 57,9 65,5 76,1 81,0 84,3 84,7 84,2 82,9 75,2 69,2 60,2 55,6 H T,dir [W/m 2 ] 127,6 155,3 172,6 172,2 171,1 167,7 168,7 172,3 165,7 156,8 144,9 124,6 HT [W/m 2 ] 185,5 220,8 248,7 253,2 255,4 252,4 252,9 255,2 240,9 226,0 205,1 180,2 Air mass (AM) = rapporto tra il percorso effettivamente coperto dai raggi solari attraverso l atmosfera ed il minimo valore che questo può assumere -Sole allo zenit fuori atmosfera AM = 0 (AM0, 1350 W/m2) -Sole allo zenit AM = 1 (AM1, ~1000 W/m2) -Sole ad un angolazione h (=angolo di zenit) rispetto allo zenit AM = (sin h) -1 Al crescere di AM cresce l attenuazione subita dalla luce solare Quindi, lo spettro della radiazione solare è funzione dell air mass. AM = 1,5 è lo spettro solare preso come riferimento dalla Commissione della Comunità Europea, corrispondente allo spettro che produce il Sole quando è a circa 45 (più precisamente 48,2 ) dallo zenit Le variazioni dell irraggiamento dipendono dunque da: latitudine, stagione, ora del giorno. Corso: ENERGIE RINNOVABILI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 23 Relative annual performance as a function of orientation (azimuth) and inclination of a thermosyphon SDHW system in Copenhagen (latitude = 55.8ºN) Relative annual performance as a function of orientation (azimuth) and inclination of a thermosyphon SDHW system in Sydney (latitude = 33.6ºS) Copenhagen (55.8ºN) Sydney (34ºS) Singapore (1ºN) Aree in grigio ±5 % dall ottimo Elevate latitudini: forte dipendenza da orientamento, necessarie maggiori inclinazioni Basse latitudine: energia indipendente dall orientamento, se inclinazione abbastanza bassa Relative annual performance as a function of orientation (azimuth) and inclination of a thermosyphon SDHW system in Singapore (latitude = 1ºN) Corso: ENERGIE RINNOVABILI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 24

13 Radiazione media mensile durante l anno per diverse inclinazioni (fonte ISES) Corso: ENERGIE RINNOVABILI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 25