Principi fisici di funzionamento degli impianti fotovoltaici

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1 Argomenti del corso Principi fisici di funzionamento degli impianti fotovoltaici solare Fisica della conversione fotovoltaica Le celle fotovoltaiche Tipologie di impianto ing Liborio Alvano La Terra La terra è un pianeta che ha un moto di rotazione attorno al proprio asse ed un moto di rivoluzione attorno al sole secondo un'orbita leggermente ellittica ( =± 1,7%) in cui il sole occupa uno dei due fuochi; il punto dell'orbita più vicino al sole si chiama perielio, il più lontano si chiama afelio La Terra L'asse di rotazione della terra è inclinato di circa 23 rispetto alla perpendicolare al piano orbitale (eclittica o piano eclittico) Il Sole Il sole è una stella di elio e idrogeno, di diametro pari a circa 100 volte quello terrestre, L'energia prodotta deriva dalla fusione di 4 nuclei di idrogeno in 1 nucleo di elio; dalla leggera differenza di massa energia (E = m c 2 ) Costante solare = 1367 W/mq (± 3,3 % a secondo le stagioni) Terra - Sole Dal sistema terra-sole, ossia dalla forza gravitazionale che lo detemina, derivano l'alternarsi del giorno e della notte; l'alternarsi delle stagioni; gli equinozi (pari durata di giorno e notte) ed i solstizi (massima e minima durata del giorno e della notte 1

2 Il magnetismo terrestre La terra è un magnete il cui il polo Nord è quasi coincidente con il polo Nord geografico di chiama declinazione l'angolo differenza fra il nord geografico vero Nv e Nord magnetico Nm; essa è positiva se è verso Est Il sistema di riferimento terrestre Meridiani e paralleli Longitudine e Latitudine La volta celeste Si definisce volta celeste la semisfera delimitata dall'orizzonte dell'osservatore con la terra al centro Es Enna: Longitudine =14,27 Est; Latitudine = 37,34 Nord La posizione del sole nella volta celeste La posizione del sole (o di un astro qualsiasi) nella volta celeste è individuato: dall' angolo verticale sull'ellittica (altezza o declinazione o angolo zenitale) dall'angolo orizzontale rispetto al SUD o azimutale Il percorso del sole Il percorso del sole è un arco variabile: con le stagioni (arco più lungo in estate e più breve in inverno vedi figura seguente) con il punto di osservazione (nessuna differenza tra estate ed inverno all'equatore - massima differenza estate-inverno verso i poli) 2

3 Declinazione [gradi] Il percorso del sole Latitudine φ = Longitudine (1): 22 giugno (2): 22 m ag 23 lug (3): 20 apr 23 ago (4): 20 m ar 23 sett (5): 21 feb 23 ott (6): 19 gen 22 nov (7): 22 dicem bre Azimut γ [gradi] L'Air Mass AM A seconda della posizione del sole nella volta celeste, cambia la radiazione solare Per quantificare la diversa entità della radiazione, in funzione della posizione del sole, si fa spesso riferimento al concetto di Air Mass AM costituito dal rapporto tra la lunghezza del percorso effettivo dei raggi solari e la lunghezza del loro percorso più breve AM = 1 / sin(h) dove h è l angolo di zenit; Air Mass One o AM1 condizione di AM in condizioni di atmosfera standard, valutato sulla superficie terrestre e misurato al livello del mare quando sin(h) = 1 ossia quando i raggi solari sono perpendicolare alla superficie terrestre Air Mass Zero AM0 condizione di AM fuori dall atmosfera L'Air Mass AM AM = AM0 = 0 Limite sup dell'atmosfera assorbente Greenwich AM = AM1 = 1 AM = 1/sen(h) h Angolo di zenit Orizzonte locale Latitudine φ Longitudine Declinazione δ Giugno Settembre / Marzo ~ 100 km Superficie Terrestre Dicembre Equatore L intensità della radiazione solare incidente su una superficie al suolo è influenzata dall angolo di inclinazione della radiazione stessa: più piccolo è l angolo che i raggi del sole formano con una superficie orizzontale maggiore è lo spessore di atmosfera che essi devono attraversare In condizioni di Air Mass Zero AM0, ossia fuori dall atmosfera la radiazione solare è pari a 1350 W/mq (ossia quasi uguale alla costante solare Un altro valore spesso usato è il valore AM = 1,5 (condizioni standard) (1/sen h = 1,5 h = 41,8 ), per il quale la radiazione solare valutata sulla superficie terrestre e misurato al livello del mare è pari a 1000 W/mq 3

4 La posizione di una superficie captante I parametri caratteristici che servono per esprimere il posizionamento di una superficie captante sono costituiti da due angoli: l' angolo di tilt β l' angolo di azimut γ orientamento ottimale: β = latitudine e γ = 0 (sud) Radiazione solare = = radiazione assorbita + radiazione riflessa + radiazione diffusa Riflessione e diffusione sono causate dall'aria, dal vapore acqueo e dal pulviscolo atmosferico G = G b + G d + G r G = radiazione globale G b = radiazione diretta G d = radiazione diffusa G r = radiazione riflessa diretta diffusa G b = I bo R b con R b funzione di β, γ, posizione geografica, giorno dell'anno, ora del giorno G d = I do R d con R d = ½ (1 + cosβ) (R d max per β = 0 ) riflessa riflessa G r = (I bo + I do)r r con R r = ½ ρ (1 - cosβ) (R d max per β = 90 ) ρ coeff di riflessione o fattore di albedo La norma UNI contiene i dati storici di irradiazione solare sul piano orizzontale diretta I bo e diffusa I do e di irradianza per tutti i capoluoghi di provincia Anche l ENEA ha pubblicato delle tabelle di irradiazione solare globale (diretta + diffusa) giornaliera e di irradianza per molti comuni italiani Irradiazione = energia / superficie Irradianza = potenza / superficie = energia / (tempo * superficie) 4

5 solare secondo UNI solare a Enna (UNI 10349) Irradiazione solare annua = 6658 MJ/mq solare a Enna (Enea) solare a Roma (UNI 10349) Irradiazione solare annua = 5843 MJ/mq Irradiazione solare annua = 5802 MJ/mq solare a Torino (UNI 10349) Irradiazione solare annua = 4820 MJ/mq 5