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La radiazione solare

Carta tematica dell'Italia riportante la quantitā di energia solare generata annualmente da un sistema fotovoltaico da 1 kWp nelle diverse zone del Paese.

Energia generata annualmente da un impianto fotovoltaico da 1 kWp.

L’energia solare deriva dall’energia elettromagnetica emessa dai processi di fusione dell’idrogeno contenuto nel sole, nota come radiazione solare.

L’intensità e la distribuzione spettrale della radiazione solare che arriva sulla superficie terrestre dipendono dalla composizione dell’atmosfera: al suolo l’energia solare è concentrata nell’intervallo di lunghezza d’onda 0,2 - 2,5 micrometri (vedi tabella).

La zona utile per le celle fotovoltaiche di silicio cristallino comincia a 0,35 micrometri fino a tutto l’infrarosso compreso.

L’intensità massima dell’energia solare è compresa tra 0,5 e 0,55 micrometri.

Irraggiamento extraterrestre (“costante solare”): 1.367 W/mq ± 3,3 % (per la diversa distanza Terra - Sole).

 

MICROMETRI DISTRIBUZIONE SPETTRALE
micrometri nomenclatura % dell’energia totale compresa nello spettro
0,2 - 0,38 ultravioletto 6,4%
0,38 - 0,78 visibile 48%
0,78 - 10 infrarosso 45,6%

Per considerare gli effetti dell’atmosfera, si è definita la cosiddetta massa d’aria unitaria AM1 (Air Mass One), che rappresenta lo spessore di atmosfera standard attraversato in direzione perpendicolare alla superficie terrestre e misurato al livello del mare.

AM = (1 - 0,1 * altitudine)/sin HS approssimabile a: 1 / sin HS essendo HS l'angolo di elevazione solare (angolo tra la linea del sole e il piano orizzontale).
Air Mass fuori dall’atmosfera: AM = 0

Con un angolo di elevazione solare HS pari a 90°: AM = 1

Con HS pari a 42°: AM = 1,5 (è questo AM che viene considerato nei test di laboratorio dei moduli fotovoltaici, per la definizione della potenza di targa).

Grafico dello spettro della radiazione solare

Spettro della radiazione solare

Irraggiamento solare globale

Rappresentazione dell'irraggiamento solare globale.

 

Confrontando lo spettro della radiazione solare al suolo in condizioni AM1 con lo spettro della radiazione al di fuori dell’atmosfera, in condizioni AM0, si può notare nello spettro relativo alla condizione AM1 la presenza di numerose buche, non presenti nello spettro ad AM0, dovute:
1) all’assorbimento causato dalle molecole di vapor d’acqua e d’aria e dal pulviscolo atmosferico
2) alla riflessione nello spazio.

Irraggiamento solare globale = Diretto + Diffuso + Riflesso ( = 1.000 W/m2)
D’inverno il diffuso è molto maggiore in percentuale.
La radiazione solare diffusa, su base annua, è pari al 55% di quella globale.

Nei calcoli di dimensionamento dei sistemi fotovoltaici spesso è opportuno considerare il coefficiente di albedo, che misura la riflessione data dal suolo. Tale coefficiente dipende quindi dal tipo di suolo.

 

Alcuni esempi:
Erba 0,20 - 0,26
Neve fresca 0,75
Asfalto secco 0,09 - 0,15

Misura della radiazione solare

L’intensità della radiazione solare al suolo dipende dall’angolo d’inclinazione della radiazione stessa: minore è l’angolo che i raggi del sole formano con una superficie orizzontale e maggiore è lo spessore di atmosfera che essi devono attraversare, con una conseguente minore radiazione che raggiunge la superficie.

Sistemi di misura (solarimetri):

  • piranometro: 2 termocoppie (una a contatto con l’atmosfera, l’altra sul retro, al buio). La differenza tensione tra le 2 determina l’irraggiamento. Costoso, preciso (1%).
  • celle di riferimento: si basa su una piccola cella fotovoltaica. Costo inferiore, precisione inferiore (5%).
  • Tabelle di irraggiamento solare (diffuso + diretto) --> kWh/mq giorno : da avere per ogni mese dell’anno, per effettuare correttamente il dimensionamento dell'impianto fotovoltaico a seconda del tipo di utilizzo. Alle nostre latitudini, l’inclinazione ottimale del piano dei pannelli solari fotovoltaici (o dei collettori solari nel caso del termico) è pari a circa 35°, tale da massimizzare l’energia captata nell’arco dell’anno.

Nel caso in cui l’utilizzo del sistema solare fotovoltaico sia prevalentemente nel periodo invernale, occorrerà applicare un’inclinazione di 55° - 70°. Questi angoli possono cambiare da località a località, sebbene ci si trovi alla stessa latitudine, a causa della variabilità della componente diretta e diffusa che si ha nelle diverse zone.