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 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 c2) 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 Es Enna: Longitudine =14,27 Est; Latitudine = 37,34 Nord La volta celeste Si definisce volta celeste la semisfera delimitata dall'orizzonte dell'osservatore con la terra al centro) 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) Declinazione [gradi] Il percorso del sole Latitudine φ = Longitudine (1): 22 giugno (2): 22 mag 23 lug (3): 20 apr 23 ago (4): 20 mar 23 sett (5): 21 feb 23 ott (6): 19 gen 22 nov (7): 22 dicembre 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 Azimut γ [gradi] 2

3 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 AM1 condizione di AM in condizioni di atmosfera standard, valutato sulla superficie terrestre e misurato al livello del mare pari a 1000 W/mq; Air Mass Zero AM0 condizione di AM fuori l atmosfera pari a 1350 W/mq (ossia quasi uguale alla costante solare) ~ 100 km L'Air Mass AM AM = AM0 = 0 Limite sup dell'atmosfera assorbente Angolo di zenit AM = AM1 = 1 h Orizzonte locale Superficie Terrestre AM = 1/sen(h) L'Air Mass AM e la radiazione solare L'Air Mass AM e la radiazione solare Greenwich 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 Latitudine φ Longitudine Equatore Declinazione δ Giugno Settembre / Marzo Dicembre La posizione di una superficie captante Iparametri 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 3

4 G b = I bo R b con R b funzione di β, γ, posizione geografica, giorno dell'anno, ora del giorno diretta diffusa 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 = ½ρ (1 - cosβ) (R d max per β = 90 ) ρ coeff di riflessione o fattore di albedo La norma UNI contiene dati storici di radiazione solare sul piano orizzontale diretta I bo e diffusa I do per tutti i capoluoghi di provincia Anche l ENEA ha pubblicato delle tabelle di radiazione solare globale (diretta + diffusa) giornaliera per molti comuni italiani solare secondo UNI solare a Enna (UNI 10349) Irradiazione solare annua = 6658 MJ/mq 4

5 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