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Calcolo Radiazione Solare 1 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 Posizioni Definite Altitudine Latitudine Clima Inquinanti Inclinazione.

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Presentazione sul tema: "Calcolo Radiazione Solare 1 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04 Posizioni Definite Altitudine Latitudine Clima Inquinanti Inclinazione."— Transcript della presentazione:

1 Calcolo Radiazione Solare 1 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Posizioni Definite Altitudine Latitudine Clima Inquinanti Inclinazione del tetto Esposizione del tetto Posizioni da progetto Angolo di inclinazione β Esposizione Materiale del pannello

2 Calcolo Radiazione Solare 2 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A La Radiazione Solare globale incidente su di una superficie posta sul suolo terrestre è in generale esprimibile come: = radiazione diretta, attraversa il cielo senza essere deviata = radiazione diffusa dallatmosfera = radiazione di albedo o rinvio multiplo, relative al contesto (corpi limidrofi…)

3 Calcolo Radiazione Solare 3 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Zone Climatiche Gradiente verticale di temperatura in funzione della zona climatica Zona Geografica(°C/m) Italia Settentrionale Transpadana 1/178 Italia Settentrionale Cispadana1/200 Italia Centrale e Meridionale1/147 Sicilia1/174 Sardegna1/192 I dati climatici sono reperibili sulla Norma UNI o su dati climatici per la progettazione edile ed impiantistica del CNR 1982

4 Calcolo Radiazione Solare 4 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Inversione Termica Landamento della temperatura è crescente in funzione della quota (nei primi 10 km dal suolo, Troposfera), supponendo laria completamente rimescolata, T(z) rappresenta landamento di trasformazione adiabatica secca (a). Durante la notte il terreno si raffredda per irradiamento e laria soprastante per conduttività termica (b). Landamento ti T(z) è detto di inversione termica poiché la temperatura in vicinanza del suolo, invece di diminuire aumenta con la quota. T Z a b c

5 Calcolo Radiazione Solare 5 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Infine al successivo sorgere del sole il terreno si riscalda e laria si innalza nellatmosfera: allorché raggiunge la quota di inversione ( m) la spinta idrostatica si annulla e ivi laria riscaldata tende ad arrestarsi (c). Linversione termica ha influenza notevole sull inquinamento. Essa fa si che nello strato daria prossimo al suolo si accumulino gas e particelle immesse nellatmosfera, le quali in mancanza di trasferimento di massa non possono essere diluite allinterna delltroposfera

6 Calcolo Radiazione Solare 6 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A La componente diretta da il suo massimo apporto alla radiazione totale nelle ore centrali della giornata. In caso di oscuramento totale del cielo il suo contributo è praticamente nullo. Contributo sempre presente dovuto alla radiazione Diffusa

7 Calcolo Radiazione Solare 7 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Radiazione Incidente extraatmosferica In un anno si ipotizza una copertura del cielo del 50% Rinvio del 30% della radiazione nello spazio 6% dalla superficie terrestre 24% dalla parte superiore delle nubi 9% perduto verso lo spazio in conseguenza della diffusione dellatmosfera 14% assorbito dai costituenti atmosferici in particolare vapor acqueo 30% raggiunge la terra come radiazione diretta 17% raggiunge la terra come radiazione diffusa

8 Calcolo Radiazione Solare 8 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Selettività dellatmosfera alla radiazione solare La quantità e la distribuzione spettrale della radiazione solare che perviene sulla superficie della terra dipendono, oltre che (marginalmente) dalle variazioni della distanza terra-sole, principalmente dai fenomeni di diffusione e assorbimento subiti dalla radiazione durante lattraversamento dellatmosfera.

9 Calcolo Radiazione Solare 9 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Le caratteristiche fondamentali dellatmosfera: Il fenomeno della Diffusività è responsabile delle differenze dellintensità di radiazione che si producono nel cielo, riconoscibile nel visibile dalle differenze di luminanza. E una funzione continua di λ ed è causata dallintercettazione della radiazione solare da parte delle molecole daria, aerosol e vapor dacqua disperse nellatmosfera. Se nellatmosfera ci fosse solo il fenomeno della diffusione si avrebbe una trasparenza: con p: pressione φ : concentrazione particelle g: quantità dacqua precipitabile m: massa daria

10 Calcolo Radiazione Solare 10 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Il fenomeno dell Assorbimento è rappresentabile con una funzione discontinua di λ che dipende principalmente dalla quantità e dalla temperatura delle molecole asimmetriche, in particolare della CO 2 e H 2 O, presenti nellatmosfera nel tempo. La figura mostra le bande di assorbimento dei componenti atmosferici nellinfrarosso: la CO 2 ha un massimo per λ= 2,71μm il vapor dacqua ha un forte assorbimento in quasi tutto linfrarosso. HDO lacqua pesante (H e Deuterio) ha alto assorbimento tra μm Azoto e ossigeno assorbono nei raggi X, lozono (O 3 ) assorbe la radiazione ultravioletta, creando un vero e proprio schermo protettivo. Se ci fosse solo assorbimento la τ(λ) sarebbe:

11 Calcolo Radiazione Solare 11 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A È di grande importanza il ruolo svolto dal vapor dacqua nel mantenimento dellequilibrio termico sulla terra. Contribuendo infatti ad assorbire solo il 14% dellirradiamento solare diretto e quasi il 92% della radiazione terrestre, esso agisce da schermo termico senza il quale lenergia radiante emessa dal pianeta si disperderebbe nello spazio e tutta la superficie raggiungerebbe temperature di gran lunga più basse delle attuali, non compatibili con la sopravvivenza umana.

12 Calcolo Radiazione Solare 12 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Il contributo della radiazione diffusa, invece è presente per tutte le ore del giorno.

13 Calcolo Radiazione Solare 13 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Caso interessante è quello di cielo parzialmente coperto, in cui la radiazione totale raggiunge i suoi valori massimi. In questo caso la riflessione dovuta alle nuvole fa da supporto alla radiazione solare

14 Calcolo Radiazione Solare 14 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A I dati necessari per conoscere la potenza incidente istantanea su di una superficie sono: latitudine del luogo giorno dellanno ora del giorno orientamento della superficie stato dellatmosfera dati di natura deterministica dato di natura probabilistica

15 Calcolo Radiazione Solare 15 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A La varietà di situazioni implica la necessità di avere dati sperimentali. Gli strumenti per la misura della radiazione solari sono detti solarimetri, sono classificati in base alla componente della radiazione che sono in grado di rilavare in: Piranometro strumento in grado di rilevare la radiazione globale (diretta e diffusa) Piranometro con banda ombreggiante in grado di rilevare la radiazione diffusa. Grazie al sistema di ombreggiatura è in grado di escludere completamente la componente diretta Pireliometro misura la componente diretta grazie ad un sistema di inseguimento solare che gli permette di essere sempre posizionato in direzione normale ai raggi solari Pireliometro Piranometro

16 Calcolo Radiazione Solare 16 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Il calcolo della radiazione solare incidente su di una superficie posta al di fuori della atmosfera terrestre, fatto sulla base delle leggi dellastronomia e con calcoli deterministici, ha una certezza quasi assoluta. Come si può intuire è invece molto complesso ottenere un valore esatto per la radiazione al suolo, per il calcolo di questa bisogna considerare molteplici fattori. Fonte: ESA

17 Calcolo Radiazione Solare 17 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Il calcolo della radiazione solare sulla superficie terrestre viene affrontato in tre modi: Modelli Semplici costituiti dai dati di natura deterministica visti in precedenza e da modelli semplificativi che considerano latmosfera costituita da un solo strato Modelli delle correlazioni basati su dati storici rilevati nella zona in considerazione Modelli di simulazione con cui attraverso procedure di simulazione si cerca di predire il valore dellirraggiamento

18 Calcolo Radiazione Solare 18 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Il modello semplificato di solito viene utilizzato quando non si conoscono i dati sperimentali relativi alla zona considerata, dalla somma delle componenti = radiazione diretta = radiazione diffusa = radiazione di albedo o rinvio multiplo Radiazione incidente su di un pannello comunque orientato e inclinato

19 Calcolo Radiazione Solare 19 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Dalla (19) : La potenza associata alla radiazione diretta: coincide con la potenza incidente su di una superficie orizzontale, β rappresenta laltezza solare. Altezza solare Dati disponibili in letteratura

20 Calcolo Radiazione Solare 20 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A L angolo di altezza solare β rappresenta langolo tra la congiungente sole-pannello e la proiezione orizzontale della normale alla superficie del pannello stesso, viene calcolato attraverso la relazione (22): Radiazione incidente su un pannello In cui: δ declinazione solare ω angolo orario solare φ latitudine del luogo

21 Calcolo Radiazione Solare 21 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A La declinazione solare δ rappresenta langolo tra il vettore terra-sole ed il piano equatoriale, ricordiamo che lasse terrestre è inclinato di 23,45° rispetto alla giacitura dellorbita terrestre: -23,45°< δ <23,45 solstizio δ = 0 equinozio Si calcola attraverso la relazione (23): con N numero di giorni contati dal primo gennaio. Lalternanza delle stagioni è determinato dalla diversa incidenza che i raggi solari hanno con la superficie terrestre nei differenti periodi dellanno e, quindi, dalla quota di energia ricevuta dal suolo.

22 Calcolo Radiazione Solare 22 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A L angolo orario solare ω è formato dalla direzione del sole con quella del mezzogiorno, è pari a: Dove n h rappresenta il numero di ore a partire da mezzogiorno. La terra ruota di 1°ogni 4 min quindi in 1ora ruota di 15°

23 Calcolo Radiazione Solare 23 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A La componente diffusa della radiazione solare incidente su di un piano orizzontale si calcola dalla relazione empirica: con c coefficiente di copertura del cielo 0 < c < 1 Con tale relazione si deve tener conto del fatto che i dati ottenuti sono sovrastimati in condizioni di cielo secco, cioè con bassa umidità relativa. E opportuno osservare che la radiazione solare incidente massima si ha, a parità di altezza solare, in inverno. Questo è dovuto al fatto che il sole è più vicino alla terra (perielio) e che laria contiene meno umidità.

24 Calcolo Radiazione Solare 24 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Sino ad ora non abbiamo considerato il fatto che la nostra superficie era inclinata di un angolo σ (detto Tilt) rispetto allorizzontale, calcoliamo langolo di incidenza θ tra la congiungente al sole e la normale alla superficie: dove γ è langolo sul piano orizzontale formato dalla proiezione della normale alla superficie e la proiezione sul piano azimutale del raggio incidente. Inclinazione Pannello

25 Calcolo Radiazione Solare 25 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Considerando ora linfluenza dei corpi circostanti al pannello, introduciamo dei fattori di vista che ci permetteranno di calcolare infine la radiazione incidente sul nostro pannello: In cui: F D fattore di vista associato alla potenza diretta F d fattore di vista associato alla potenza diffusa F a fattore di vista associato alla potenza di albedo o riflessione multipla Quindi la radiazione totale incidente sul pannello risulta pari a: Con r coefficiente di rinvio medio del terreno.

26 Calcolo Radiazione Solare 26 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A SuperficieAlbedo Neve0,75 Asfalto0,10 Superfici esterne edifici scuri (mattoni rossi, intonaci scuri) 0,27 Superfici esterne edifici chiari (mattoni chiari, intonaci chiari) 0,60 Aree urbane dense con edifici alti0,16-0,38 Aree residenziali con case basse e strade0,21-0,45 parchi0,49 Alberi dispersi nel campo0,62 Cemento consumato0,30

27 Calcolo Radiazione Solare 27 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Esistono molteplici programmi di calcolo della radiazione solare:


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