Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A

Presentazione sul tema: "Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A"— Transcript della presentazione:

1 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04
Altitudine Latitudine Clima Inquinanti Inclinazione del tetto Esposizione del tetto Posizioni Definite Angolo di inclinazione β Esposizione Materiale del pannello Posizioni da progetto Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A

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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 dall’atmosfera = radiazione di albedo o rinvio multiplo, relative al contesto (corpi limidrofi…) Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A

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

4 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04
Inversione Termica L’andamento della temperatura è crescente in funzione della quota (nei primi 10 km dal suolo, Troposfera), supponendo l’aria completamente rimescolata, T(z) rappresenta l’andamento di trasformazione adiabatica secca (a). T Z a b c Durante la notte il terreno si raffredda per irradiamento e l’aria soprastante per conduttività termica (b). L’andamento ti T(z) è detto di inversione termica poiché la temperatura in vicinanza del suolo, invece di diminuire aumenta con la quota. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A

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Infine al successivo sorgere del sole il terreno si riscalda e l’aria si innalza nell’atmosfera: allorché raggiunge la quota di inversione ( m) la spinta idrostatica si annulla e ivi l’aria riscaldata tende ad arrestarsi (c). L’inversione termica ha influenza notevole sull’ inquinamento. Essa fa si che nello strato d’aria prossimo al suolo si accumulino gas e particelle immesse nell’atmosfera, le quali in mancanza di trasferimento di massa non possono essere diluite all’interna dell’troposfera Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A

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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 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A

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

8 Selettività dell’atmosfera 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 l’attraversamento dell’atmosfera. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A

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Le caratteristiche fondamentali dell’atmosfera: Il fenomeno della Diffusività è responsabile delle differenze dell’intensità di radiazione che si producono nel cielo, riconoscibile nel visibile dalle differenze di luminanza. E’ una funzione continua di λ ed è causata dall’intercettazione della radiazione solare da parte delle molecole d’aria, aerosol e vapor d’acqua disperse nell’atmosfera. Se nell’atmosfera ci fosse solo il fenomeno della diffusione si avrebbe una trasparenza: con p: pressione φ : concentrazione particelle g: quantità d’acqua precipitabile m: massa d’aria Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A

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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 CO2 e H2O, presenti nell’atmosfera nel tempo. La figura mostra le bande di assorbimento dei componenti atmosferici nell’infrarosso: la CO2 ha un massimo per λ= 2,71μm il vapor d’acqua ha un forte assorbimento in quasi tutto l’infrarosso. HDO l’acqua pesante (H e Deuterio) ha alto assorbimento tra μm Azoto e ossigeno assorbono nei raggi X, l’ozono (O3) assorbe la radiazione ultravioletta, creando un vero e proprio schermo protettivo. Se ci fosse solo assorbimento la τ(λ) sarebbe: Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A

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È di grande importanza il ruolo svolto dal vapor d’acqua nel mantenimento dell’equilibrio termico sulla terra. Contribuendo infatti ad assorbire solo il 14% dell’irradiamento solare diretto e quasi il 92% della radiazione terrestre, esso agisce da schermo termico senza il quale l’energia 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. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A

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

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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 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A

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I dati necessari per conoscere la potenza incidente istantanea su di una superficie sono: latitudine del luogo giorno dell’anno ora del giorno orientamento della superficie stato dell’atmosfera dati di natura deterministica dato di natura probabilistica Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A

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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 Piranometro Pireliometro Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A

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Il calcolo della radiazione solare incidente su di una superficie posta al di fuori della atmosfera terrestre, fatto sulla base delle leggi dell’astronomia e con calcoli deterministici, ha una certezza quasi assoluta. Fonte: ESA 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. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A

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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 l’atmosfera 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 dell’irraggiamento Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A

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Radiazione incidente su di un pannello comunque orientato e inclinato 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 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A

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

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

21 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04
L’alternanza delle stagioni è determinato dalla diversa incidenza che i raggi solari hanno con la superficie terrestre nei differenti periodi dell’anno e, quindi, dalla quota di energia ricevuta dal suolo. La declinazione solare δ rappresenta l’angolo tra il vettore terra-sole ed il piano equatoriale, ricordiamo che l’asse terrestre è inclinato di 23,45° rispetto alla giacitura dell’orbita terrestre: -23,45°< δ <23,45 solstizio δ = equinozio Si calcola attraverso la relazione (23): con N numero di giorni contati dal primo gennaio. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A

22 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04
L’ angolo orario solare ω è formato dalla direzione del sole con quella del mezzogiorno, è pari a: La terra ruota di 1°ogni 4 min quindi in 1ora ruota di 15° Dove nh rappresenta il numero di ore a partire da mezzogiorno. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A

23 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04
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 l’aria contiene meno umidità. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A

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

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Considerando ora l’influenza dei corpi circostanti al pannello, introduciamo dei fattori di vista che ci permetteranno di calcolare infine la radiazione incidente sul nostro pannello: In cui: FD fattore di vista associato alla potenza diretta Fd fattore di vista associato alla potenza diffusa Fa 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. Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A

26 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04
Superficie Albedo Neve 0,75 Asfalto 0,10 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 alti 0,16-0,38 Aree residenziali con case basse e strade 0,21-0,45 parchi 0,49 Alberi dispersi nel campo 0,62 Cemento consumato 0,30 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A

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