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Energia Solare
Prof. Daniele CoccoDipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali, Università di [email protected]://people.unica.it/danielecocco/
Tecnologie delle Energie Rinnovabili
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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
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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
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Impianti Solari
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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
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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
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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
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La rotazione della Terra intorno al Sole
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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).
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La declinazione solare
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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
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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
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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
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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
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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
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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 ,,
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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
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Norma UNI 10349-2016
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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
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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
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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
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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
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Fattore di inclinazione medio mensile
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Irraggiamento globale al suolo
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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