Energia Solare

Prof. Daniele CoccoDipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali, Università di Cagliaridaniele.cocco@unica.ithttp://people.unica.it/danielecocco/

Tecnologie delle Energie Rinnovabili

Fonti Energetiche Rinnovabili (FER)

•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)

Costante Solare: 1370 W/m2

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

Serve il contributo di tutte le FER

La Conversione dell’Energia

Fonti Primarie

Sole

(radiante)

Vento

(cinetica)

Acqua

(potenziale)

Combustibili

(chimica)

Uranio

(nucleare)

Fuel

cell

Turbina

eolica

Combustore

Reattore nucleare

Fotovoltaico

Pannello

solare

Turbina

idraulica

Fonti Secondarie

Energia

meccanica

Energia termica

Energia elettrica

Generatore

Ciclo

termodinamico

Impianti Solari

Irraggiamento monocromatico fuori atmosfera

0 0.5 1 1.5 2 2.5

Lunghezza d'onda (m)

0

500

1000

1500

2000

2500

Irra

gg

iam

en

to m

on

ocro

mati

co

(W

/m

2

m)

Spettro reale

Corpo nero (5779 K)

Radiazione visibile

La potenza media

annua per unità di

superficie fuori

dall’atmosfera

terrestre è detta

Costante Solare (CS)

e il suo valore è di

circa 1367 W/m2,

equivalente a circa

342 W/m2 se riferiti

all’unità di superficie

al suolo

Il bilancio energetico della Terra

Radiazione solare 342 W/m2

Riflessione 89 W/m2

Riflessione 14 W/m2

Assorbimento 86 W/m2

Assorbimento 153 W/m2

Irraggiamento dell’atmosfera 344

W/m2

Irraggiamento dell’atmosfera 219

W/m2

Irraggiamento del suolo

380 W/m2

Irraggiamento del suolo 20

W/m2

Calore latente e calore sensibile 97

W/m2

ATMOSFERA

SUOLO TERRESTRE

SPAZIO

L’irraggiamento fuori dall’atmosfera

0 28 56 84 112 140 168 196 224 252 280 308 336 364

Giorno dell'anno

1300

1325

1350

1375

1400

1425

1450R

ad

iazio

ne s

ola

re (

W/

m2)

Radiazione extra-terrestre

Costante solare

365

n2cos033,01CG SEX

GEX è l’irraggiamento normale

fuori dall’atmosfera terrestre

La rotazione della Terra intorno al Sole

La posizione del Sole rispetto al suolo

Sud

Est Ovest

Sole

a

Piano orizzontale

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).

La declinazione solare

La declinazione solare

0 28 56 84 112 140 168 196 224 252 280 308 336 364

Giorno dell'anno

-30

-20

-10

0

10

20

30D

eclin

azio

ne s

olar

e (°

)

365

n2842sin45.23 n è il giorno dell’anno

Angolo orario ed equazione del tempo

0 28 56 84 112 140 168 196 224 252 280 308 336 364

Giorno dell'anno

-20

-10

0

10

20

Eq

uazi

on

e d

el t

emp

o (

min

)

sm tt25,0t25,0h

1tt ls

ts è l’ora solare, tm è l’ora del

mezzogiorno, tl è l’ora locale e

Δ è l’equazione del tempoIn minuti

L’altezza solare

Per Cagliari L=39,12

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Ora del giorno

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Alt

ezza s

ola

re (

°)

21 Marzo

21 Giugno

21 Settembre

21 Dicembre

hcoscosLcossinLsinsin

L’azimut solare

Per Cagliari L=39,12

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Ora del giorno

-120

-90

-60

-30

0

30

60

90

120

Azim

ut

sola

re (

°)

21 Marzo

21 Giugno

21 Settembre

21 Dicembre

cos

hsincosasin

La radiazione solare al suolo

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

Atmosfera

Altezza solare

α

GEX

GN

GO

Fra sole allo zenit (α=90) e alba o

tramonto (α=0) il percorso dei raggi

solari aumenta di 35 volte

Irraggiamento normale diretto e diffuso

0 45 90 135 180

Altezza solare (°)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Fat

tore

di

atte

nu

azio

ne

DR

DF

DFEXDFN GG ,

DREXDRN GG ,L’attraversamento dell’atmosfera

produce l’attenuazione e la diffusione

della radiazione solare GEX

DFNDRNN GGG ,,

Irraggiamento al suolo su piano orizzontale

Al suolo, la radiazione solare viene

misurata su una superficie orizzontale

0 45 90 135 180

Altezza solare (°)

0

200

400

600

800

1000

1200

Rad

iazio

ne a

l su

olo

(W

/m

2)

G0

G0,DR

G0,DF

sinGG DR,NDR,O

DF,ODR,OO GGG

)]cos/([GG DF,NDF,O 12

Norma UNI 10349-2016

Irraggiamento su superfici inclinate

Al suolo, su una superficie comunque

orientata, la radiazione solare arriva

con un angolo di incidenza i (variabile

fra 0 e 90°)

n GO,DR

GN,DR

Collettore

i

Sole

Irraggiamento su superfici inclinate

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 γrispetto al Sud (positivo verso Est e negativo verso Ovest)

Sud

Est Ovest

Sole

n Piano orizzontale Pannello

Irraggiamento su superfici inclinate

RFDFDR GGGG

DRDR,ODR,ODR RG

sin

icosGG

DFDF,ODF RGG

RFORF RGG

2

cos1RDF

2

cos1RRF

RFDF,ODR,ODFDF,ODRDR,O REEREREE

),,,,( hLfRDR

Irraggiamento su superfici inclinate

sin

cos iRDR

hsinsinsincos

cossinLsincosLcoshcoscos

cossinLcoscosLsinsinicos

hcoscosLcosLsinsinsin

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