1-Radiazione Solare 1.3

Corso: ENERGIE RINNOVABILI - Classe: INGEGNERIA INDUSTRIALE, Laurea: INGEGNERIA MECCANICA Pag. 1

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI FIRENZEFacoltà di Ingegneria

Dipartimento di Energetica “S.Stecco”

RADIAZIONE SOLARE

David Chiaramonti, Daniele Fiaschi

Ultimo aggiornamento: Giugno 2006Versione: 1.3




Radiazione SolareIl sole emette una potenza pari a circa 175-178 miliardi di Megawatt, di cui solo circa 1350 W/m² raggiungono l’atmosfera terrestre.

A causa della dispersione nell’atmosfera, la superficie terrestre viene raggiunta da circa 1000 W/m² (valori medi).

Tale valore, utilizzato come riferimento di massima potenza di irraggiamento per il dimensionamento, è comunque possibile solo in una giornata con cielo sereno.




AlbedoQuantità percentuale di radiazione riflessa dalla

superficie terrestre rispetto alla radiazione incidente




INSOLAZIONEEnergia media giornaliera (in kWh /m2 giorno) che colpisce una superficie piana orizzontale

IRRAGGIAMENTOPotenza istantanea (in kW /m2) che colpisce la stessa superficie

L’insolazione cresce avvicinandosi all’equatoreAnche le condizioni climatiche hanno una influenza sull’insolazione

Alcune definizioni introduttiveAlcune definizioni introduttive




Il Sole

• Latitudine (ψ)• Altezza (θ o β): angolo tra sole e piano dell’orizzonte• Azimut solare (φ): deviazione angolare dalla direzione Sud

spostamento angolare ad E o W del Meridiano locale (mattina negativo, pomeriggio positivo)

• Declinazione (δ): posizione del sole all’apice (noon) rispetto al piano dell’equatore

δ

δ

Per individuare la sua posizione (sistema Tolemaico) si definiscono:




Il SoleAltezza solare (θ o β):







Il Sole e la sua radiazioneIl Sole e la sua radiazioneL’intensità della radiazione solare fuori dall’atmosfera (costante solare) vale circa 1.4 kW/m2

Tutta l’energia solare utilizzabile è sotto forma di radiazione elettromagnetica avente lunghezza d’onda compresa circa tra 0,2 e 3 micron

Max intensità spettrale di radiazione emessa dal Sole è a 0.48 micron Radiazione extraterrestre:• 7% UV (0,2 – 0,4 µm)• 42% visibile (0.4 - 0.7 µm)• 51% infrarosso (0.7 - 3 µm)

GSC (o ISC) = costante tutto l’annoHH=f(latitudine, altitudine, stagione, ora condizioni meteorologiche locali)

H0=radiazione solare fuori dall’atmosfera

HH=radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre

Molecole responsabili delle bande di assorbimento

La radiazione solare si divide in quattro parti attraversando l’atmosfera:

1) riflessa verso lo spazio (nubi)2) diffusa in tutte le direzioni (urto con N2,

O2, vapore, CO2, O3)3) assorbita e riemessa come IR in tutte le

direzioni dalle molecole costituenti l’atmosfera

4) una parte raggiunge direttamente la superficie terrestre (radiazione diretta)

2+3=radiazione diffusa




Il Sole e la sua radiazioneIl Sole e la sua radiazione

Costante Solare Isc :

Isc (o Gsc) = 1367 W/m2 , corrispondente ad un flusso orario di 4921 MJ/m2

L’orbita ellittica della terra varia (+/- 1.7 %, con min il 21 Dicembre e max il 22 Giugno)

In Dicembre la terra riceve circa il 7 % in più di energia

δ




Durata del giorno a diverse latitutidini

Insolazione




Misura della radiazione solareSOLARIMETRI

Classificazione in base alla componente misurataPIRANOMETRO: misura la radiazione globalePIRANOMETRO CON BANDA OMBREGGIANTE: misura la componente diffusa (la banda ombreggiante elimina la diretta)PIRELIOMETRO: misura la sola radiazione diretta (tracking necessario)

Classificazione in base al principio di funzionamentoSOLARIMETRI A TERMOPILA: termocoppie in serie che generano una V di uscita Q alla intensità della radiazione solare incidente.SOLARIMETRI AD EFFETTO FOTOVOLTAICO: sistema PV in silicicristallino. V Q alla intensità della radiazione solare incidente.




Radiazione SolareLa radiazione solare si divide in tre componenti:• Diretta: colpisce la superficie con un

determinato angolo• Diffusa: colpisce la superficie con angoli

diversi• Riflessa: radiazione riflessa dalle superfici

circostanti




Insolazione L’energia che colpisce una superficie:

• Si misura in KWh/m2giorno o mese o anno, e corrisponde ai kWh che in un dato intervallo di tempo hanno raggiunto una superficie elementare di 1 m2.

• La superficie riceve la massima energia se è perpendicolare ai raggi incidenti.

• Poiché i raggi sono raramente perpendicolari e l’energia è distribuita durante la giornata o il mese o l’anno, i kWh risultanti saranno pari al contributo dato da tutte le ore di luce secondo l’incidenza dei raggi.




Insolazione

• Inclinazione ed orientamento del pannello influenzano l’energia prodotta

• L’ideale è incidenza perpendicolare al pannello




Fondamenti di Energia SolareFondamenti di Energia Solare

δ

δ

DeclinazionePosizione angolare del sole all’apice (mezzogiorno solare) rispetto al piano dell’equatoreEquazione di Cooper (in °) :

con n = giorno dell’annoLa declinazione varia tra –23.45° (21 Dic.) e 23.45° (21 Giu.)

Angolo di ora solare (Solar hour angle)Spostamento angolare ad Est od Ovest del Meridiano locale

E’ pari a zero all’apiceVaria di 15 ° per ora

– Esempio: alle 08:00 (4 ore all’apice) è pari a -4 x 15 = - 60

Angolo al tramonto (ωs): angolo del sole al momento del tramontocos ωs = - tan ψ tan δ (dove δ = declinazione e ψ = latitudine)




Fondamenti di Energia SolareFondamenti di Energia SolareRadiazione solare fuori dell’atmosfera (extraterrestrial radiation)

Radiazione solare H0 al di fuori dell’atmosfera terrestre

dove δ = declinazione, ψ = latitudine, n=giorno dell’anno, Gs=costante solare (1,367 W/m2)

Indice di chiarezza o trasparenza (Clearness Index)E’ il rapporto tra la radiazione solare che raggiunge la superficie e quella extraterrestreIndice di Chiarezza medio mensile KT

dove H ed H0 sono valori medi mensili su una superficie orizzontaleKT varia tra 0.3 (località con cielo molto coperto) a 0.8 (molto sereno)Risente delle caratteristiche dell’atmosfera – es scattering dovuto a sabbia od umidità




Energia producibile da un pannello Energia producibile da un pannello Funzione di:1) latitudine del sito2) valori di irraggiamento sul piano

orizzontale (HH) per quel luogo 3) inclinazione dei pannelli rispetto

al piano orizzontale

• Curve giornaliere di irraggiamento extraterrestre (H0)• insolazione sul piano orizzontale• in funzione di questi, si può calcolare la curva di

irraggiamento giornaliero sul piano inclinato (HT), detta Tilted irradiance

Si ricava

GEN FEB MAR APR MAG GIU LUG AGO SET OTT NOV DIC HH[W/m2] 164,6 202,4 237,8 252,9 263,1 264,2 262,8 258,1 234,3 210,3 183,1 158,1 Per sito a Lat (ψ) 20° nord

H0




Curva di irraggiamento giornaliero sul piano inclinato HCurva di irraggiamento giornaliero sul piano inclinato HTTDetermina quanta potenza potranno produrre le celle fotovoltaiche o i collettori solari

Varie correlazioni, tutte basate sulla conoscenza del rapporto tra HH ed H0 da cui si ricava il rapporto tra la radiazione diffusa sul piano orizzontale (HH,dif) e quella totale HHDalla conoscenza delle parti diffusa e diretta della radiazione si calcola l’insolazione sul piano inclinato HT

Kt = HH/H0 (Clearness Index)HH,dif = HH [1,390-4,027 Kt+5,5531 (Kt)2-3,108 (Kt)3]HT,dif = 0,5 HH,dif [1+cosβ+ρ (1-cosβ)]HT,dir = HH,dir sin(α+β)/sinα

HT = HT,dif + HT,dir

HT,dif = frazione diffusa della radiazione sul piano inclinatoHT,dir = frazione diretta della radiazione sul piano inclinatoHT = radiazione globale che arriva su tale pianoβ = inclinazione rispetto all’orizzontale del piano dei

pannelliρ = riflessione del terreno (anche ρg)α = π/2 – ω 6δ angolo che tiene conto della latitudine ψ del

sito e della declinazione δ del sole δm=23°45’ sin [2 π (d – 81)/365]

δ

Andamento orario di HT : noto il valore orario di H0 e di HH, può essere

ricavato (SC = costante solare).




Curva di irraggiamento giornaliero sul piano Curva di irraggiamento giornaliero sul piano inclinato Hinclinato HTT

Per calcolare la radiazione media mensile nel piano del collettore si può utilizzare la seguente formula:

dove Hb = radiazione media solare direttaRb = fattore esclusivamente geometrico

Dipende da orientamento del collettore, latitudine, giorno dell’annoβ = inclinazione del collettoreρg = riflessione del terreno

ContributoRadiazione

DirettaContributoRadiazione

DiffusaRiflessione

della Radiazione




Irraggiamento giornaliero sul piano inclinato HIrraggiamento giornaliero sul piano inclinato HTT in mesi in mesi –– tipo tipo per latitudine per latitudine ψψ = = 2020°° NordNord

HT

H0

HH

H0mHHm

HTm

HT

H0

HH

HTmHHm

H0m

m = valore medio

Ipotesi: stesso andamento giornaliero di HH ed H0 (preciso con poca nuvolosità)β=20° (pannelli affacciati a sud)HT può essere maggiore o minore di HH a seconda dei mesiAndamenti simmetrici rispetto a mezzogiorno e varia la durata del giorno medio nei mesi




Ottimizzazione di HOttimizzazione di HTT nei diversi mesi e relative componenti nei diversi mesi e relative componenti Per il sito scelto (ψ = 20°) il massimo valore di HT nei diversi mesi si ottiene per

un’inclinazione dei pannelli solari pari a circa 19° rispetto al suolo

Air mass (AM) = rapporto tra il percorso effettivamente coperto dai raggi solari attraverso l’atmosfera ed il minimo valore che questo può assumere-Sole allo zenit fuori atmosfera AM = 0 (AM0, 1350 W/m2)-Sole allo zenit AM = 1 (AM1, ~1000 W/m2)-Sole ad un’angolazione h (=angolo di zenit) rispetto

allo zenit AM = (sin h)-1

Al crescere di AM cresce l’attenuazione subita dalla luce solareQuindi, lo spettro della radiazione solare è funzione dell’air mass. AM = 1,5 è lo spettro solare preso come riferimento dalla Commissione della Comunità Europea, corrispondente allo spettro che produce il Sole quando è a circa 45° (più precisamente 48,2°) dallo zenit

Le variazioni dell’irraggiamento dipendono dunque da: latitudine, stagione,ora del giorno.

GEN FEB MAR APR MAG GIU LUG AGO SET OTT NOV DIC HT,dif

[W/m2] 57,9 65,5 76,1 81,0 84,3 84,7 84,2 82,9 75,2 69,2 60,2 55,6

HT,dir [W/m2] 127,6 155,3 172,6 172,2 171,1 167,7 168,7 172,3 165,7 156,8 144,9 124,6

HT [W/m2] 185,5 220,8 248,7 253,2 255,4 252,4 252,9 255,2 240,9 226,0 205,1 180,2




Relative annual performance as a function of orientation (azimuth) and inclination of a thermosyphon SDHW system in Copenhagen

(latitude = 55.8ºN)

Relative annual performance as a function of orientation (azimuth) and inclination of a thermosyphon SDHW system in Sydney (latitude = 33.6ºS)

Relative annual performance as a function of orientation (azimuth) and inclination of athermosyphon SDHW system in Singapore (latitude = 1ºN)

• Copenhagen (55.8ºN)• Sydney (34ºS)• Singapore (1ºN)

Aree in grigio ±5 % dall’ottimoElevate latitudini: forte dipendenza da

orientamento, necessarie maggiori inclinazioniBasse latitudine: energia indipendente

dall’orientamento, se inclinazione abbastanza bassa




Radiazione media mensile durante l’anno per diverse inclinazioni (fonte ISES)

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