Cap. 1 - Radiazioni solari

A SCUOLA DI INNOVAZIONE

L’ENERGIA SOLARE E LA SUA APPLICAZIONE NEGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICIProgetto realizzato dalla classe V° FASE – I.T.I.S. H. HERTZ di Roma

La nostra classe:

Abela Chiara

Argante Noemi

Binelli Marco

D’Alessandro Riccardo

Guardini Gaia

Mattei Marco

Merola Dalia

Ruscitto Leonardo

Juru Jean Hilare

Viscoli Claudio

Categoria: sensibilizzazione su tematiche sociali, interculturali, ambientali, pari opportunità, attualità

A cura dei Prof.ri Antonio Bonanni e Bruno Coletta

Radiazione

Cella Produzione Moduli Impianti Progetti Dimensioni

L’ENERGIA SOLARE E LA SUA APPLICAZIONE NEGLI IMPIANTI FOTOVOLTAICI

La radiazione solare

Progetto realizzato dalla classe V° FASE – I.T.I.S. H. HERTZ di RomaA cura dei Prof.ri Bonanni Antonio e Coletta Bruno

La radiazione solareL’ENERGIA SOLARE E LA SUA APPLICAZIONE NEGLI IMPIANTI

FOTOVOLTAICI

Cosa è il Sole Il Sole è la stella al centro del nostro sistema solare. Come tutte le altre duecento miliardi di stelle della nostra galassia, il Sole è una sfera di gas ad altissima temperatura. I gas sono concentrati intorno ad un nucleo centrale tramite la forza gravitazionale. Il Sole si compone di una parte interna (nucleo) non visibile, di una zona intermedia e di un'atmosfera solare la cui zona superficiale è quella che normalmente vediamo dalla Terra. Sulla superficie del Sole si stima una temperatura media di 5700-6000°C. Poco o nulla si conosce della struttura non osservabile. Si ipotizza la presenza di un nucleo, la cui temperatura dovrebbe arrivare a 15-16 milioni di gradi. Il Sole è quindi una sfera gigantesca di gas ionizzati che irraggia energia verso l'esterno sotto forma di radiazioni elettromagnetiche e corpuscolari. E' la fonte primaria di energia dell'intero sistema planetario. Senza l'energia solare non avremmo sulla Terra la vita organica vegetale ed animale. Persino il petrolio e le fonti di energia fossili derivano dall'energia solare (del passato).


Le dimensioni del SoleLe dimensioni del Sole sono abbastanza ridotte per una stella. Il Sole ha un raggio di 696.500 km (circa 109 volte il raggio della Terra) e una massa di 2x1030 kg. Essendo composto prevalentemente da gas, il Sole ha una densità media quattro volte inferiore rispetto alla Terra e pari a 1,41 g/cm². Come stella il Sole è classificato di quinta luminosità (gamma spettrale G2 di colore giallo). Nonostante le dimensioni ridotte la nostra Stella ci appare gigante nel cielo grazie alla vicinanza del nostro pianeta.Distanza della Terra dal SoleIl Sole dista dal nostro pianeta in media 149,6 milioni di km. La distanza è comunque variabile nel corso dell'anno da circa 147 a circa 152 milioni di km.Età del SoleL'attuale età del Sole è stimata a 4,57 miliardi di anni. Considerando la vita media delle stelle simili, il Sole può considerarsi a metà della sua vita complessiva.



Le radiazioni solari in arrivo sul nostro pianeta sono composte dalla sovrapposizione di diverse onde magnetiche, ognuna delle quali ha una sua frequenza ed entità. Giungono sulla superficie terrestre con una potenza di circa 1000 W m ².Soltanto alcune frequenze sono però percepibili dall'uomo ad occhio nudo. Alcune sono percepite sotto forma di calore. Altre ancora sono del tutto invisibili ai sensi umani. La lunghezza d’onda della radiazione solare adatta ad innescare l’effetto fotovoltaico è compresa nella banda visibile.



FOTOVOLTAICI

Le radiazioni ultraviolette (UV) sono le onde elettromagnetiche ad elevata frequenza corrispondenti alla luce violetta. Grazie alla presenza dell'ozono atmosferico giungono sulla superficie terrestre soltanto i raggi UV meno energetici (quelli meno pericolosi per la salute umana). I raggi solari ultravioletti sono alla base della fotosintesi e dei processi chimici necessari per la vita animale e vegetale. Ciò nonostante, l'eccesso delle radiazioni ultraviolette è pericoloso e molto dannoso per gli organismi. L'ozono atmosferico svolge una funzione di "filtro" naturale, senza il quale poche forme viventi riuscirebbero a vivere sulla terraferma. Per questa ragione la distruzione dell'ozono "buco nell'ozono" è uno dei principali problemi ambientali della nostra epoca.

Ultravioletti


FOTOVOLTAICI

Le radiazioni infrarosse sono le onde elettromagnetiche a minore frequenza corrispondenti al colore rosso. La loro lunghezza d'onda coincide con la trasmissione del calore. La sensazione che proviamo quando prendiamo il sole al mare è generata dalla percezione umana dei raggi solari infrarossi. Le radiazioni infrarosse sono alla base degli scambi termici e dei collettori solari.

Infrarossi


FOTOVOLTAICI

A metà strada tra le radiazioni ultraviolette (UV) e le radiazioni infrarosse troviamo le radiazioni solari visibili (fotoni). Queste ultime occupano uno spettro elettromagnetico intermedio delle precedenti radiazioni. Ogni lunghezza d'onda corrisponde ad un colore specifico. Le radiazioni "visibili", come si può comprendere dal nome, sono anche quelle che l'occhio umano riesce a percepire. La radiazione solare visibile è anche alla base della tecnologia fotovoltaica.

Visibile

La radiazione solare L’energia solareIl sole è la fonte energetica più importante per la terra. La vita, in tutte le sueforme, dipende dall’energia del sole, che rappresenta il punto di partenza per lecatene chimiche e biologiche sul nostro pianeta ed allo stesso tempo costituisce laforma energetica più pulita dal punto di vista ambientale: può essere utilizzata invario modo ed è appropriata in ogni contesto sociale.Al centro del sole ha luogo un processo di fusione in cui due nuclei di idrogeno sifondono in un nucleo di elio. L’energia così rilasciata viene irradiata nello spazio sotto forma di onde elettromagnetiche. Poiché la Terra si trova a circa 150 milioni di km dal Sole, riceve solo una piccola frazione di tale energia.Malgrado ciò, il Sole offre più energia in un quarto d’ora di quanta l’Uomo ne usiin un anno.Ogni anno il sole fornisce un quantità di energia di gran lunga superiore al consumoenergetico mondiale: l’apporto energetico del sole supera di molto perfino quello di tutte le riserve di combustibili fossili di cui si ha, attualmente, conoscenza.Se tutto ciò viene tradotto in cifre si ha:1.5*1018 kWh/a = 1.500 milioni di miliardi di chilowattora Questa quantità di energia proveniente dal sole risulta pertanto 10.000 volte superiore all’attuale fabbisogno di tutto il pianeta.



Nell'immagine sono indicati graficamente i valori medi annuali indicati in KWh/m ² dell'energia che effettivamente arriva al suolo nelle varie aree della Terra.



In questa immagine è invece riportata la radiazione solare globale delle diverse località italiane



La radiazione solare è l'energia elettromagnetica emessa dai processi di fusione dell'idrogeno contenuto nel sole. La densità di potenza, detta costante solare, raccolta fuori dall' atmosfera su una superficie perpendicolare ai raggi solari è di 1353 W/m², detta costante solare e variabile durante l'anno del ±3% a causa dell'ellitticità dell'orbita terrestre. Il valore massimo misurato sulla superficie terrestre invece è di circa 1000 W/m², in condizioni ottimali di giornata serena e sole a mezzogiorno.


Terra

Atmosfera1353 watt/m ²

1000 watt/m ²

elevazione

azimut

Orbite solari


Insolazione L'insolazione è l'energia che si può raccogliere in un giorno in una superficie piana orizzontale e si misura in KWh/ m².

Radiazione solare La "radiazione solare" o "irraggiamento" è la potenza istantanea che il sole scarica al suolo. Si misura in KW/m² e raggiunge la potenza di 1 KW/ m² in condizioni di cielo sereno a mezzogiorno.

Costante solare 1.353 W/ m² : rappresenta la potenza che raggiunge l'atmosfera terrestre per unità di superficie in relazione all'energia irradiata dal sole. Poichè intervengono fattori quali la diffusione e l'assorbimento nell'atmosfera, come riferimento, si usano le condizioni standard di insolazione (potenza della radiazione incidente pari a 1000W/m², temperatura del modulo di 25 °C).


La radiazione solareNell’attraversare l’atmosfera terrestre, la radiazione solare subisce notevoli variazioni. In parte viene assorbita dall’atmosfera, in parte viene nuovamente riflessa nello spazio esterno e in parte viene parzialmente diffusa nell’atmosfera stessa. Per effetto dell’assorbimento e riflessione dell’atmosfera la radiazione solare che arriva al suolo è:H = Hdir + Hdiff + Hrif



La radiazione diretta colpisce una qualsiasi superficie con un unico e ben definito angolo di incidenza.



La radiazione diffusa incide sulla superficie con vari angoli. Occorre ricordare che quando la radiazione diretta non può colpire una superficie a causa della presenza di un ostacolo, l'area ombreggiata non si trova completamente oscurata grazie al contributo della radiazione diffusa.



Una superficie inclinata, può ricevere la radiazione riflessa dal terreno o da specchi d'acqua o da altre superfici orizzontali. Il coefficiente di Riflettanza R dipende dal tipo di superficie che colpisce il raggio solare.



Come risulta evidente dalla tabella la radiazione solare globale e la sua percentuale, tra diretta e diffusa, dipendono dalle condizioni atmosferiche.In condizione di cielo coperto, seppur una minima parte, esiste comunque una piccola radiazione solare frutto della sola componente diffusa.


Intensità approssimata della radiazione solare al variare delle condizioni climatiche


Nell’esempio viene rappresentata la radiazione solare globale mensile su piano orizzontale (a Roma) e le sue componenti (diretta e diffusa).


La radiazione solareL'intensità della radiazione solare incidente su una superficie al suolo è influenzata dall'angolo di inclinazione della radiazione stessa.La posizione ottimale, in pratica, si ha quando la superficie è orientata a sud con angolo di inclinazione pari alla latitudine del sito: l'orientamento a sud massimizza la radiazione solare captata ricevuta nella giornata e l'inclinazione pari alla latitudine; rende minime, durante l'anno, le variazioni di energia solare captate dovute all'oscillazione di 23.5 della direzione dei raggi solari rispetto alla perpendico-lare alla superficie di raccolta.Al variare della località, inoltre, varia il rapporto tra radiazione solare diffusa e quella totale .


Poiché, all'aumentare dell'inclinazione della superficiedi captazione diminuisce la componente diffusa e aumenta la componente riflessa, l'inclinazione che consente di massimizzare l'energia raccolta può essere differente da località a località. Per località italiane , tuttavia , deviazioni di una decina di gradi rispetto all'inclinazione ottimale causano variazioni dell'energia raccolta dell'ordine di pochi percento.

La radiazione solareangolo di azimut (gamma) L'angolo di azimut è la deviazione angolare verso Sud-Est o verso Sud-Ovest. Se l'angolo di azimut è contenuto entro +/- 45° non si hanno significative perdite rispetto all'azimut zero. In merito all'orientamento è bene ricordare che in Italia i moduli devono essere rivolti a sud (trovandosi l'Italia nell'emisfero nord del pianeta).angolo di tilt (beta) E’ l'angolo d'inclinazione dei moduli fotovoltaici rispetto al suolo. Il suo valore ideale varia in funzione della latitudine: In genere è pari alla latitudine del luogoPer utenze isolate Lat. + 20°Per zone nevose Lat. + 30°Per zone equatoriali + 5°In Italia per la massimizzazione annua l’angolo di tilt è circa 25-30°. Si ha una perdita di energia pari al 10-12% quando i moduli fotovoltaici sono posizionati orizzontali e una perdita del 35% quando sono posizionati verticali.

La posizione del pannello solare rispetto al Sole è individuata dall’inclinazione sul piano orizzontale ß (beta) e dall’orientamento o azimut (gamma) rispetto al sud.


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