Tecnologie delle Energie Rinnovabili Energia Solare Prof. Daniele Cocco Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali, Università di Cagliari daniele.cocco@unica.it http://people.unica.it/danielecocco/
Fonti Energetiche Rinnovabili (FER) Costante Solare: 1370 W/m 2 Il Sole invia sul suolo terrestre una quantità di energia pari a circa 5000 volte i consumi mondiali annui. Una piccola frazione di questa energia viene convertita in biomasse, energia eolica e del moto ondoso e in energia idraulica Energia del vento e del mare (10-20 volte i consumi mondiali) Energia idraulica (circa 1-2 volte i consumi mondiali) Energia chimica delle biomasse (circa 1-2 volte i consumi mondiali) Serve il contributo di tutte le FER
La Conversione dell Energia Fonti Primarie Sole (radiante) Vento (cinetica) Acqua (potenziale) Combustibili (chimica) Fotovoltaico Fuel cell Combustore Fonti Secondarie Turbina eolica Turbina idraulica Pannello solare Energia elettrica eneratore Energia meccanica Ciclo termodinamico Uranio (nucleare) Reattore nucleare Energia termica
Impianti Solari
Irraggiamento monocromatico (W/m 2 m) Irraggiamento monocromatico fuori atmosfera 2500 2000 1500 1000 500 0 Spettro reale Corpo nero (5779 K) Radiazione visibile 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Lunghezza d'onda (m) La potenza media annua per unità di superficie fuori dall atmosfera terrestre è detta Costante Solare (C S ) e il suo valore è di circa 1367 W/m 2, equivalente a circa 342 W/m 2 se riferiti all unità di superficie al suolo
Il bilancio energetico della Terra Riflessione 89 W/m 2 Radiazione solare 342 W/m 2 SPAZIO Irraggiamento del suolo 20 W/m 2 Irraggiamento dell atmosfera 219 W/m 2 ATMOSFERA Calore latente e calore sensibile 97 Assorbimento 86 W/m 2 W/m 2 Irraggiamento del suolo 380 W/m 2 Riflessione 14 W/m 2 Assorbimento Irraggiamento 153 W/m 2 SUOLO TERRESTRE dell atmosfera 344 W/m 2
La rotazione della Terra intorno al Sole
Declinazione solare ( ) La declinazione solare 30 20 10 0-10 -20-30 0 28 56 84 112 140 168 196 224 252 280 308 336 364 iorno dell'anno.45sin 2 284 n 365 23 n è il giorno dell anno
Radiazione solare (W/m2) L irraggiamento fuori dall atmosfera 1450 1425 1400 Radiazione extra-terrestre Costante solare 1375 1350 1325 1300 0 28 56 84 112 140 168 196 224 252 280 308 336 364 iorno dell'anno EX C S 1 0,033cos 2n 365 EX è l irraggiamento normale fuori dall atmosfera terrestre
La posizione del Sole rispetto al suolo Sole a Sud Est Piano orizzontale Ovest La posizione del Sole è definita attraverso l Altezza Solare α e l Azimut Solare a. Tali parametri dipendono dalla latitudine L (luogo), dalla declinazione solare δ (giorno dell anno) e dall angolo orario h (ora del giorno).
Equazione del tempo (min) Angolo orario ed equazione del tempo 20 10 0-10 h t -20 0,25t s t 1 l 0 28 56 84 112 140 168 196 224 252 280 308 336 364 iorno dell'anno 0,25 t m t s In minuti t s è l ora solare, t m è l ora del mezzogiorno, t l è l ora locale e Δ è l equazione del tempo
Altezza solare ( ) L altezza solare 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 sin 21 Marzo 21 iugno 21 Settembre 21 Dicembre 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Ora del giorno sin L sin cos L Per Cagliari L=39,12 cos cos h
Azimut solare ( ) L azimut solare 120 90 60 30 0-30 -60-90 -120 sin a 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Ora del giorno cos cos sin h Per Cagliari L=39,12 21 Marzo 21 iugno 21 Settembre 21 Dicembre
La radiazione solare al suolo Fra sole allo zenit (α=90) e alba o tramonto (α=0) il percorso dei raggi solari aumenta di 35 volte EX Atmosfera O N Altezza solare α Al suolo, la radiazione solare non è in generale normale alla superficie esposta e viene attenuata e modificata in relazione allo spessore dello strato di atmosfera terrestre attraversato
Fattore di attenuazione Irraggiamento normale diretto e diffuso 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 DR DF 0 45 90 135 180 Altezza solare ( ) N, DR N, DF EX EX DR DF N N, DR N, DF L attraversamento dell atmosfera produce l attenuazione e la diffusione della radiazione solare EX
Radiazione al suolo (W/m 2 ) Irraggiamento al suolo su piano orizzontale 1200 1000 800 600 400 200 0 0,DR 0,DF O,DR O,DF O N, DR sin 0 0 45 90 135 180 Altezza solare ( ) N, DF [ 2/( 1 cos)] Al suolo, la radiazione solare viene misurata su una superficie orizzontale O,DR O,DF
Norma UNI 10349
Norma UNI 10349
Radiazione al suolo (W/m 2 ) Norma UNI 10349 1200 1000 800 600 400 200 0 0,DR 0,DF O, DR N, DR O, DF N, DF O O,DR 0 sin sin 0 45 90 135 180 O,DF Altezza solare ( ) Al suolo, la radiazione solare viene misurata su una superficie orizzontale
Irraggiamento su superfici inclinate Sole Collettore n i N,DR O,DR Al suolo, su una superficie comunque orientata, la radiazione solare arriva con un angolo di incidenza i (variabile fra 0 e 90 )
Irraggiamento su superfici inclinate Sole Sud Pannello n Piano orizzontale Est Ovest L orientazione di una superficie sulla quale incide la radiazione solare viene definita attraverso la sua inclinazione β rispetto al piano orizzontale (variabile fra 0, superficie orizzontale, e 90, superficie verticale) e il suo azimut γ rispetto al Sud (positivo verso Est e negativo verso Ovest)
Irraggiamento su superfici inclinate DR DF RF DR O,DR cos sin i O,DR R DR R DR f (, L, h,, ) DF RF O,DF O R R RF DF R DF R RF 1 cos 2 1 cos 2 E E O,DR R DR E O,DF R DF E O,DR EO,DF RRF
Irraggiamento su superfici inclinate R DR cos i sin cos sin i sin sin Lcos cosl sin cos cos cosh cosl cos sinl sin cos cos sin sin sinh sin sinl cosl cos cosh Materiale Coefficiente di riflessione Neve 0,75 Acqua 0,07 Asfalto 0,1 Calcestruzzo 0,22 Pietrisco 0,2 Edifici scuri (mattoni) 0,27 Edifici Chiari 0,75
Fattore di inclinazione medio mensile
Irraggiamento globale al suolo
Le tecnologie di conversione Energia elettrica mediante i pannelli fotovoltaici Energia termica mediante i collettori solari piani (bassa temperatura) e mediante collettori a concentrazione (alta temperatura) Energia elettrica mediante gli impianti solari termodinamici