LA RADIAZIONE SOLARE. Tecnica del Controllo Ambientale. Prof. Maurizio Cellura

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1 LA RADIAZIONE SOLARE Tecnica del Controllo Ambientale Prof. Maurizio Cellura

2 INTRODUZIONE Il progettista deve: 1. Definire le condizioni climatiche generali e locali; 2. Ricercale le soluzioni idonee; 3. Integrare le varie opzioni con la scelta dei materiali; 4. Minimizzare impatti energetici ed ambientali; 5. Scegliere l impianto idoneo ai requisiti di legge e di comfort.

3 Tecnica del Controllo Ambientale INTRODUZIONE La maggior parte dei fenomeni termici che si accompagna alla climatizzazione degli edifici è strettamente legata alla radiazione solare; Per una sana progettazione occorre: Controllo della radiazione; Opportune scelte architettoniche; Adeguate scelte costruttive ed economiche; Adozione della normativa tecnica

4 L ENERGIA SOLARE Il sole è una stella ed è sede di reazioni termonucleari a catena. Nella reazione di fusione,durante la quale l idrogeno si combina per formare elio, avviene nel nucleo una conversione di massa in energia Nel nucleo incandescente si produce così una temperatura stimata tra 16 e 40 milioni di gradi; attraverso una serie di processi radiativi e convettivi avviene il trasferimento del calore alla superficie dove avviene l irraggiamento verso lo spazio. La temperatura della superficie si porta allora ad un valore di circa 5780 K, tale da fare sorgere un equilibrio tra l energia che la superficie stessa riceve dal nucleo e quella che emette verso gli spazi siderali.

5 L ENERGIA SOLARE Il sole si comporta allora come un corpo nero che, alla temperatura di 5780 K, irradia energia nello spazio. Quasi il 99% della radiazione solare ha lunghezza d onda compresa tra 0.15 e 4 μm e il massimo di intensità si ha a circa 0.5 μm. La parte compresa tra 0.4 e 0.74 μm occupa la zona visibile dello spettro mentre a sinistra ed a destra di tale fascia si trovano rispettivamente le zone dell ultravioletto e dell infrarosso.

6 LO SPETTRO SOLARE Il fenomeno di propagazione delle onde elettromagnetiche può essere interpretato con la teoria ondulatoria o con la teoria corpuscolare (fotoni). Le grandezze che caratterizzano le radiazioni elettromagnetiche secondo la teoria ondulatoria sono: Velocità di propagazione; Lunghezza d onda; Frequenza.

7 Tecnica del Controllo Ambientale Velocità di propagazione c: rappresenta la velocità della luce, il cui valore dipende dal mezzo nel quale si propaga la radiazione. È massima nel vuoto ed è pari a c = 2, m/s. Nei mezzi diversi dal vuoto, la velocità di propagazione è data in termini di indice di rifrazione n, dove n è il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e la velocità della luce nel mezzo in esame. Lunghezza d onda λ : rappresenta la distanza, lungo l asse x, percorsa durante un oscillazione completa. La sua unità di misura è il metro [m]. Frequenza v: rappresenta la misura fisica del numero di oscillazioni nell unità di tempo (oppure numero oscillazioni che si hanno nell unità di tempo). La sua unità di misura è Hertz [Hz]. L inverso della frequenza è il periodo T che si misura in secondi [s].

8 RICHIAMI DI ASTRONOMIA: LO SPETTRO SOLARE Tecnica del Controllo Ambientale La lunghezza d onda, la frequenza e la velocità di propagazione sono in relazione secondo la seguente espressione: Al crescere della temperatura cresce l energia Ef emessa in media con un singolo fotone (teoria quantistica) secondo l espressione: dove h è la costante di Planck pari a 6, [J s].

9 L ENERGIA SOLARE: LA RADIAZIONE Le onde elettromagnetiche vengono suddivise in bande di frequenze o di lunghezza d onda.

10 L ENERGIA SOLARE: LA RADIAZIONE Per riuscire a ricavare le leggi fisiche che governano emissione ed assorbimento delle radiazioni elettromagnetiche è stato introdotto il concetto di corpo nero, cioè un corpo ideale in grado di assorbire totalmente ogni radiazione che lo colpisca. In fase di emissione, la caratteristica del corpo nero è quella di emettere per ogni valore della temperatura il massimo dell energia; il valore di tale energia risulta dipendere dalla temperatura del corpo stesso. La legge di Stefan-Boltzmann stabilisce il rapporto di proporzionalità fra l energia totale emessa e la quarta potenza della temperatura assoluta. E = k T 4

11 L ENERGIA SOLARE: LA RADIAZIONE Tecnica del Controllo Ambientale La temperatura del Sole, tramite la legge di Stefan-Boltzmann, sapendo che il flusso radiante totale sulla superficie esterna del Sole è pari a:

12 L ENERGIA SOLARE: LA RADIAZIONE Il grafico dove ad ogni lunghezza d onda corrisponde una specifica quantità di energia per unità di tempo e per unità di superficie si chiama spettro di emissione. Lo spettro della radiazione proveniente dal Sole si colloca fra le lunghezze d onda 0,15μm e 4 μm (ossia fra il vicino infrarosso e il vicino ultravioletto) passando per la luce visibile dove viene registrato il massimo dell intensità in corrispondenza delle frequenze della luce gialla e verde (circa 0.5 μm).

13 L ENERGIA SOLARE: LA RADIAZIONE Con la legge di spostamento di Wien possiamo dimostrare che la massima intensità di radiazione del Sole si ha per λ MAX = 0.5μm max 2940 T Temperatura media del Sole: T = 6000 K λ MAX = 0.5μm Per la Terra invece: Temperatura media della Terra: T = 300 K λ MAX = 10μm

14 L ENERGIA SOLARE La quantità media di radiazione che arriva sulla Terra dal Sole per unità di superficie e per unità di tempo, misurata sulla superficie superiore dell'atmosfera terrestre, su un piano perpendicolare ai raggi, prende il nome di costante solare ed assume il valore medio di 1353 W/m 2. ca il 40% della radiazione viene assorbita o riflessa dalle nubi ed il 15% viene assorbita dall'atmosfera stessa. Arriva al suolo, quindi, circa il 45% della radiazione.

15 L ENERGIA SOLARE L intensità dell irraggiamento solare si attenua nel passaggio attraverso l atmosfera: una parte di radiazione viene riflessa verso lo spazio, una parte è diffusa in tutte le direzioni dalle molecole dei gas atmosferici e dal vapore acqueo, una parte viene assorbita dalle molecole dell atmosfera e da queste riemessa come radiazione infrarossa

16 L ENERGIA SOLARE La parte di irraggiamento che raggiunge direttamente il suolo costituisce la radiazione diretta 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.

17 L ENERGIA SOLARE La radiazione diretta, preponderante rispetto alla diffusa in condizioni di cielo sereno, tende a ridursi all aumentare dell umidità e della nuvolosità presente nell aria, fino ad annullarsi in condizioni di cielo completamente coperto.

18 L ENERGIA SOLARE L assorbimento della radiazione solare da parte dell atmosfera può avvenire in due modi: Assorbimento per diffusione; le molecole dell atmosfera deviano i raggi luminosi dal percorso rettilineo (le onde più corte sono più facilmente diffuse, per questo il cielo appare azzurro); Assorbimento selettivo; le varie componenti dell atmosfera (vapor acqueo, CO 2 O 2 O 3 etc..) assorbono determinate lunghezze d onda. Ad esempio i raggi ultravioletti duri (UVB e UVC) vengono assorbiti dagli strati superiori dell atmosfera; i UVA e parte dei UVB vengono assorbiti dallo strato di Ozono.

19 L ENERGIA SOLARE INSOLAZIONE ED EFFETTO SERRA L energia proveniente dal Sole e che riesce ad oltrepassare l atmosfera viene assorbita dalla superficie terrestre che si riscalda. A sua volta la Terra emette radiazioni lunghe. Si può dimostrare che la Terra emette più energia di quanto ne riceve dal Sole. Questo significa che la radiazione lunga emessa dalla Terra non si perde completamente nello spazio, ma parte di essa viene rimandata al suolo dalla Atmosfera (si parla di contro-radiazione), in particolare dal vapor acqueo e poi dall anidride carbonica. Quindi in ogni istante di tempo su un area unitaria di superficie arriva radiazione proveniente direttamente dal Sole ed un aliquota di controradiazione.

20 L ENERGIA SOLARE EFFETTO SERRA: L ATMOSFERA TENDE A TRATTENERE LA RADIAZIONE EMESSA DAL SUOLO, QUINDI L ATMOSFERA NEI CONFRONTI DELLA RADIAZIONE SI COMPORTA COME UNA SERRA. I principali gas serra presenti nell atmosfera sono: anidride carbonica (CO 2 ), gli ossidi di azoto (NO x ), il metano (CH 4 ), l ozono (O 3 ) e soprattutto il vapor acqueo. Tutti questi elementi assorbono la radiazione proveniente dal suolo e la riemettono in tutte le direzioni, restituendone parte al suolo (controradiazione).

21 L ENERGIA SOLARE Ognuno dei gas serra assorbe in modo selettivo alcune lunghezze d onda (frequenze) mentre lascia passare tutte le altre come mostrato nella figura.

22 L ENERGIA SOLARE La quantità di energia che arriva al suolo dipende da vari fattori: insolazione, cioè le ore di esposizione della superficie terrestre alla luce del Sole; latitudine; posizione della Terra rispetto al Sole (stagione ed ora del giorno).

23 SOLE-TERRA Tecnica del Controllo Ambientale Il moto apparente del sole rispetto ad un osservatore fisso sulla terra si svolge su una sfera concentrica alla terra chiamata Sfera Celeste. La parte visibile di tale sfera prende il nome di volta celeste ed al cerchio massimo che la delimita si da il nome di orizzonte dell osservatore. I punti in cui l asse di rotazione della terra interseca la sfera celeste prendono il nome di poli celesti. La verticale condotta nel punto in cui staziona l osservatore interseca la sfera celeste nello Zenit e nel Nadir

24 POSIZIONE SOLE-TERRA Per individuare la posizione relativa del sole rispetto alla Terra, si definiscono: Altezza ( ): Azimut solare ( ): Declinazione (δ): Latitudine (ψ)

25 POSIZIONE SOLE-TERRA Tecnica del Controllo Ambientale La latitudine è l angolo formato dalla congiungente il punto di osservazione con il centro della terra e il piano dell equatore. Essa assume valore 0 all orizzonte a 90 al polo.

26 L ENERGIA SOLARE Altezza solare: è l angolo verticale che la direzione collimata al sole forma con il piano orizzontale; Angolo azimutale: è l angolo orizzontale tra il piano verticale passante per il sole e la direzione del sud, ed è positivo verso est e negativo verso ovest. Questi due angoli dipendono a loro volta dalla declinazione δ, dalla latitudine ϕ e dall angolo orario ω.

27 L ENERGIA SOLARE La declinazione è l angolo formato dalla dalla congiungente sole-terra con il piano equatoriale; essa varia durante l anno da un valore massimo di in inverno ad un valore di in estate. La latitudine è l angolo formato dalla congiungente il punto di osservazione con il centro della terra e il piano dell equatore. Essa assume valore 0 all orizzonte a 90 al polo. L angolo orario è l angolo formato dal piano meridiano passante per l osservatore con il meridiano passante per il sole (valori compresi tra e 180 variando di 15 ogni ora).

28 L ENERGIA SOLARE La posizione del sole in ogni istante dell anno sole rispetto ad un punto sulla terra è determinata dall angolo di altezza solare α e dall angolo azimutale e può essere ottenuta dalle seguenti relazioni: Consentono di calcolare la posizione del sole conoscendo la latitudine (che caratterizza spazialmente il punto di osservazione), la declinazione (che dipende dal giorno e dal mese in cui si effettua l osservazione) e l angolo orario (che dipende dall ora in cui si effettua l osservazione).

29 L ENERGIA SOLARE La declinazione può essere ottenuta con la formula di Cooper: in cui g rappresenta i giorni dell anno trascorsi dal 1 gennaio, mentre l angolo orario è ottenuto con la relazione: in cui hsol rappresenta l ora solare Quest ultima può essere ottenuta conoscendo l ora convenzionale e la longitudine del punto di osservazione:

30 L ENERGIA SOLARE Dove: hconv è l ora data dall orologio, λmr è la longitudine del meridiano di riferimento, λoss è la longitudine del punto di osservazione.; E rappresenta una correzione, variabile nel corso dell anno, chiamata equazione del tempo. Il valore di E fluttua poiché la velocità della terra attorno al sole non è costante durante l anno. Il valore della correzione può essere ricavato dalla figura o dalla seguente relazione:

31 L ENERGIA SOLARE I valori dell altezza solare e dell azimut in qualsiasi periodo dell anno possono essere facilmente conosciuti utilizzando i diagrammi dei percorsi solari. Questi sono diagrammi, tracciati per ogni latitudine, in cui sono riportati l altezza solare e l azimut nei vari periodi dell anno. Possono essere in coordinate polari o in coordinate cartesiane. Nei primi l osservatore è posizionato al centro del diagramma in cui una successione di circonferenze concentriche rappresentano le varie altezze solari. Dal punto centrale partono poi una serie di raggi identificati da 0 a 360 (azimuth). Su questa base sono poi tracciate le traiettorie solari al ventunesimo giorno di ogni mese.

32 L ENERGIA SOLARE I diagrammi in coordinate cartesiane danno invece una proiezione verticale del percorso solare così come sarebbe visto da un osservatore posto sulla terra. Sull asse orizzontale si possono leggere gli azimut mentre su quello verticale le altezze solari. Anche in questo caso le traiettorie solari sono tracciate al ventunesimo giorno di ogni mese.

33 L ENERGIA SOLARE LEGGE DI LAMBERT: la quantità di energia che arriva sulla superficie terrestre dipende dal coseno dell angolo di incidenza dei raggi solari con la verticale (distanza zenitale): I = I 0 cos z

34 L ENERGIA SOLARE Insolazione quotidiana nel globo terrestre.

35 Radiazione Solare l energia elettromagnetica emessa dai processi di fusione dell idrogeno contenuto nel sole. Densità di Potenza radiazione solare per unità di tempo e di superficie. Fuori l atmosfera terrestre la potenza incidente su di una superficie unitaria, perpendicolare ai raggi solari, assume un valore di circa 1360W/m² (variabilità del ±3% dovuta all ellitticità dell orbita terrestre). Questo valore prende il nome di Costante Solare Sulla superficie terrestre, a livello del mare, in condizioni meteorologiche ottimali e sole a mezzogiorno, la densità di potenza è di circa 1000W/m²

36 La radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre si distingue in: (1) diretta (2) diffusa (3) riflessa Le proporzioni di radiazione (1), (2) e (3) ricevuta da una superficie dipendono da: (a) condizioni meteorologiche (b) inclinazione della superficie (c) presenza di superfici riflettenti

37 Greenwich Giugno Latitudine Declinazione Longitudine Settembre / Marzo Dicembre Equatore pag. 37

38 Confronto fra la radiazione solare giornaliera media incidente su superfici con differenti angoli di inclinazione ed orientate a Sud (azimut ). Località con latitudine Nord e cielo sereno [MJ/m 2 /giorno] Orizzontale Verticale 0 Gen Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic

39 Dati della Radiazione Solare La radiazione solare su una superficie inclinata può essere determinata mediante: Mappe isoradiative (generalmente non permettono di distinguere le componenti della radiazione diretta e diffusa) pubblicate da vari organismi Valori tabellati per ciascuna località (Servizio Meteorologico Nazionale) Metodi di calcolo sperimentali (Norme UNI UNI 11328, metodo di Liu e Jordan, ecc.)

40 Angoli di inclinaz. e di orientaz. di una superficie Sud

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