Introduzione al Solare fotovoltaico. La radiazione solare

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1 Istituto Tecnico Statale per Geometri Gian Battista Aleotti 26 Febbraio Ferrara, Via Camilla Ravera, 11 Introduzione al Solare fotovoltaico La radiazione solare Antonio Parretta ENEA di Bologna Università di Ferrara

2 La radiazione solare

3 Massa d aria (AM) AM (Air Mass) = percorso effettivo / percorso allo zenit h = Elevazione solare orizzonte h AM (Air Mass) 1 / sin h ; h = Elevazione solare ; θ = 90 - h Formula più precisa: AM (h) = [ (614 sin h) 2 ] 1/2 614 sin h

4 Massa d aria (AM) L Air Mass può essere stimata in qualsiasi località usando la seguente formula: AM = 1+ ( s h) 2 Dove s è la lunghezza dell ombra creata da un regolo verticale di altezza h, come mostrato in figura. sunlight h s

5 Massa d aria (AM) 5,0 4,5 4,0 AM (Air Mass) 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1, Angolo di elevazione del Sole, h ( )

6 Lo spettro Intensità della radiazione solare in funzione di AM e della lunghezza d onda

7 La radiazione solare al suolo ~1367 W/m 2 diffusa diffusa albedo diretta ~1000 W/m 2

8 La radiazione solare al suolo La radiazione solare globale (G), che incide su di una certa superficie, è la somma di tre contributi: la radiazione diretta (I): ossia la componente che, sebbene attenuata in intensità dall attraversamento dell atmosfera, raggiunge in maniera diretta la superficie considerata, con un ben definito angolo di incidenza; la radiazione diffusa (D): ossia la componente che viene assorbita e riemessa dai componenti atmosferici in tutte le direzioni; essa incide secondo vari angoli e perciò anche le superfici che non sono colpite dalla radiazione solare diretta a causa di ostacoli esterni, non è detto si trovino completamente oscurate; la radiazione riflessa, o albedo (R): ossia quella che raggiunge la superficie, essendo stata riflessa dal terreno o da altre superfici. G = I + D + R I valori giornalieri medi mensili di radiazione solare globale sul piano orizzontale, espressa in MJ/m 2 giorno, sono tabulati per diverse località.

9 Tavole di radiazione globale Conversione: 1MJ/m 2 giorno= 277,8 Wh/m 2 giorno Presso l Unità Dati Bioclimatici del Dipartimento Energia dell ENEA sono disponibili i dati (ricavati da osservazioni satellitari) di 1614 comuni italiani con almeno abitanti. Qui sopra è riportato un esempio per i comuni della provincia di Bologna.

10 Soleggiamento Soleggiamento: numero di ore giornaliere nelle quali un punto (o una superficie) è colpito dalla radiazione solare. Soleggiamento teorico: dipende dalla latitudine e dal giorno dell anno. Soleggiamento reale: tiene conto delle condizioni atmosferiche e di eventuali ostacoli (naturali o artificiali) alla radiazione solare. N = cos w 2 15 S w S = tg( L) tg( d) w S = angolo orario di tramonto; L = latitudine; d = declinazione Indice di soleggiamento: rapporto tra le ore di soleggiamento effettivo n e la durata astronomica del giorno N: I = n N

11 Misure del soleggiamento Numero di ore giornaliere nelle quali un punto (o una superficie) è colpito dalla radiazione solare. Eliofanografo di Campbell (1853) e Stokes (1880): Apparecchio per la misurazione delle ore di luce e dell'intensità della radiazione solare (insolazione). E costituito da una sfera di vetro ottico sostenuta ai poli da due supporti situati all estremità di un arco meridiano graduato, il quale consente di disporre l asse della sfera con una inclinazione in gradi rispetto all orizzontale, uguale ai gradi di latitudine del luogo. I raggi solari, attraversando la sfera di cristallo pieno, lasciano tracce di bruciato su una striscia di carta posta sulla semisfera sottostante.

12 Il percorso del Sole

13 Il moto apparente del sole

14 Il percorso del sole 23.5 δ ω +180 declinazione angolo orario Solstizio estate δ 12am ω N ω 23.5 Equinozi ω S Solstizio inverno Meridiano dell osservatore

15 Il percorso del sole

16 Diagrammi solari polare e cilindrico Diagrammi solari La descrizione del moto apparente del sole può essere fatta mediante una carta solare proiettata sul piano orizzontale (diagramma polare) o sul piano verticale (diagramma cilindrico). Sul sistema di coordinate sono definiti: h = altezza del sole, angolo misurato tra l orizzonte e la sua posizione sopra l orizzonte; α = azimut del sole, angolo tra la direzione sud e la proiezione sul piano orizzontale della retta sole-terra. I valori di h, α dipendono da: Occorre quindi conoscere: * ora del giorno * l angolo orario (t) del sole * giorno dell anno * la declinazione (d) del sole * località * la latitudine (L) della località Si trova: sin( h) = cos( L) cos( d) cos( t) + sin( L) sin( d) sin( α) = [cos( d) cos( t)]/ cos( h)

17 Diagramma solare polare CARTA DEL SOLE Latitudine 45 N (~Torino, Alessandria, Piacenza, Ferrara) A 21 Giugno B 21 Lug Mag C 21 Ago Apr D 21 Set Mar E 21 Ott Feb F 21 Nov Gen G Dicembre

18 Diagramma solare cilindrico Il diagramma solare fornisce giorno per giorno e ora per ora la posizione del sole.

19 Posizione del sole Da: S.R. Wenham, M.A. Green, M.E. Watt, Applied Photovoltaics, Centre for Photovoltaic Devices and Systems, University of NSW, Sydney, (AU).

20 Equazioni della posizione del sole Definitions: AZI = Solar azimuth (0 to 360 ) ALT = Solar altitude (from horizontal; zenit=90 ) ZEN = Zenith angle (from the vertical): ZEN = 90 ALT ORI = Orientation (azimuth of the surface normal, 0 to 360 HSA =Horizontal shadow angle (azimuth difference) VSA = Vertical shadow angle (on perpendicular normal plane) INC = angle of incidence (from the surface normal) LAT = geographical latitude (south negative) DEC = Declination (between the earth-sun line and the equator plane) HRA = hour angle from solar noon. 15 per hour SRA = sunrise azimuth, i.e. azimuth at sunrise time SRT = sunrise time NDY = Number of day of year TIL = Tilt angle of receiving plane from the horizontal Da: S.R. Wenham, M.A. Green, M.E. Watt, Applied Photovoltaics, Centre for Photovoltaic Devices and Systems, University of NSW, Sydney, (AU).

21 Equazioni della posizione del sole Equations: DEC = 23,45 x sin(0,986 x (284 + NDY) (approx.) 0,986 = 360 / 365 days DEC = 23,45 sin[360 (289,4 + NDY) / 369,4] (approx.) DEC = 0, ,984 x cosn + 3,7372 x sinn 0,3499 x cos (2N) + +0,03205 x sin(2n) 0,1398 x cos(3n) + 0,07187 x sin(3n) N = 2 x π x NDY / 366 (accurate) HRA = 15 x (hour 12) ALT = arcsin(sindec x sinlat + cosdec x coslat x coshra) AZI = arcos[(coslat x sindec cosdec x sinlat x coshra)/cosalt] Gives result 0-180, i.e. for am only; For pm take AZI = 360 AZI (as found from the above expression) HSA = AZI ORI

22 Equazioni della posizione del sole Equations: VSA = arctan(tanalt/coshsa) INC = arcos(sinalt x costilt + cosalt x sintilt x coshsa) For vertical planes, as TIL = 90, costil = 0, sintil = 1: INC = arcos(cosalt x coshsa) For a horizontal plane: INC = ZEN = 90 - ALT SRA = arcos(coslat x sindec + tanlat x tandec x sinlat x cosdec) SRT = 12 [arcos(-tanlat x tandec) / 15] Meff.ico Il programma per il calcolo delle effemeridi del sole, scritto dall'ing. Gianni Ferrari, si può scaricare alla pagina cercando Geffem con il motore di ricerca contenuto nella stessa pagina.

23 La radiazione solare su una superficie Ricevitore orizzontale (TIL=0): G = I + D Idir n ZEN δ Idiff s I TOT 2π π / 2 = I DIR cos( ZEN ) + dϕ dδ sinδ cos( δ ) I DIFF 0 0 ( ϕ, δ )

24 La radiazione solare su una superficie Ricevitore inclinato (TIL 0): G = I + D + R Idir Idiff δ Ialb n INC s TIL I TOT = IDIR cos( INC) + dϕ dδ sinδ cos( δ ) IDIFF( ϕ, δ ) + dϕ dθ sinθ cos( θ) I ALB( ϕ, θ) Radiazione incidente sulla superficie

25 La radiazione solare su una superficie Definizioni: α= orientazione (azimut) del modulo β = inclinazione (tilt) del modulo δ = declinazione ω= angolo orario Φ = latitudine θ= angolo d incidenza sul modulo θ h = angolo d incidenza sul piano orizzontale Angolo orario ω = 15(ts-12); ts = ora solare (0-24) Declinazione δ = 23.5 sin[360(284+n)/365] Angolo d incidenza sul p.o. cos = sinδ sinφ + cosδ cosφ cosω = sin θ h β n θ n θ h h Angolo d incidenza sul modulo cosθ = sinδ sin Φ cos β sinδ cosφ sin β cosα + cosδ cosφ cos β cosω cosδ sin Φ sin β cosα cosω + cosδ sin β sinα sinω F. Groppi e C. Zuccaro, Impianti Solari Fotovoltaici. Ed. Delfino, 2006.

26 La radiazione solare su una superficie Radiazione diretta: I = I OR cosθ / cosθ h I = radiazione diretta su modulo I OR = radiazione diretta su piano orizz. Radiazione diffusa: D = D OR ( 1+ cos β ) / 2 D = radiazione diffusa su modulo D OR = radiazione diffusa su piano orizz. Radiazione di albedo: R = G OR g ρ ( 1 cos β ) / 2 R = radiazione di albedo su modulo G OR = radiazione totale su piano orizz. ρ g = fattore di albedo