Calcolo dell’irraggiamento su una superficie inclinata

Per caratterizzare una superficie captante occorre definire altri tre angoli in fun- zione della disposione della superficie stessa:

• Angolo di incidenza (i) : angolo formato dai raggi solari con la normale alla superficie captante.

• Angolo di inclinazione o di tilt (β): indica l’inclinazione della superficie ricettrice rispetto al piano orizzontale.

• Angolo azimutale (aw)della superficie ricettrice, ovvero angolo tra la normale

alla superficie e l’asse S-N. Definito positivo verso est, negativo verso ovest e pari a zero a sud.

Nella figura 1.16 sono indicati gli angoli che identificano la posizione della super- ficie rispetto ai raggi del Sole.

Figura 1.16: Angoli caratteristici della superficie captante

La potenza istantanea globale incidente su una superficie comunque orientata è data dalla somma di tre componenti: quella diretta, quella diffusa e proveniente dalla porzione di volta celeste “vista” dalla superficie, e quella riflessa dovuta al- l’energia riflessa dal terreno e dagli eventuali oggetti circostanti verso la superficie stessa.

La radiazione diretta sulla superficie è:

Id= Id(n)cos i (1.19)

Il coseno dell’angolo di incidenza può essere espresso come:

cos i = cos (a − aw) cos (a − aw) sin (β) + sin (α) cos (β) (1.20)

Ed in caso di superfici esposte a Sud:

cos i = sin (L − β) sin (δ) + sin (β) + cos (L − β) cos (δ) cos (ω) (1.21) Supponendo che il cielo si comporti come una sorgente isotropa di radiazione dif- fusa (modello di cielo isotropo11), la componente diffusa incidente sulla superficie risulta pari a: ID = IDOcos2  β 2  (1.22)

La radiazione (diretta e diffusa) riflessa dal terreno sulla superficie è esprimibile come: IR= Id(n)sin (α) + IDO
· ρ sin2  β 2  (1.23) dove è stato introdotto un coefficiente di riflessione ρ detto albedo i cui valori sono visualizzabili nella Tabella 1.3.

tipo di superficie albedo

Neve (caduta di fresco o con un film di ghiaccio) 0,75

Superfici acquose 0,07

Suolo 0,14

Strade sterrate 0,04

Bosco di conifere d’inverno 0,07

Bosco in autunno 0,26

Asfalto 0,10

Calcestruzzo 0,22

Foglie morte 0,30

Erba verde 0,26

Tetti e terrazze in bitume 0,13 Superfici scure di edifici 0,27 Superfici chiare di edifici 0,60

Pietrisco 0,20

Tabella 1.3: Valori di albedo

La radiazione globale istantanea incidente su una superficie inclinata è la somma dei tre contributi:

I = Id+ ID+ IR (1.24)

Ai fini pratici e progettuali, hanno interesse altre grandezze derivate da quelle appena descritte, che indicano la quantità di energia ricevuta da una superficie captante nell’arco di un determinato intervallo temporale: radiazione oraria, gior- naliera, mensile, giornaliera media mensile, annua. Nel caso degli impianti solari a concentrazione è molto utile la conoscenza del profilo giornaliero della radiazio- ne diretta. A partire dagli anni ’90 del secolo scorso, ENEA, l’Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile, ha intrapreso

un’attività di raccolta, elaborazione e distribuzione dei dati di radiazione solare che prosegue tutt’ora e che ha generato un ampio database di misure e stime di radiazione per l’intero territorio nazionale. In particolare il sito internet SolarItaly - Atlante italiano della radiazione solare offre la possibilità di calcolare la radia- zione al suolo per qualsiasi località, per superfici comunque orientate, e contiene un vasto archivio di tabelle e diagrammi solari.

Sfruttamento dell’energia solare

Nonostante la Terra si trovi a circa 150 chilometri dal Sole e sia investita soltanto da una piccola parte dell’energia irradiata nello spazio dalla nostra stella madre, si calcola che l’energia annua incidente al suolo sia pari a 1, 515 × 1017 _{kWh, cioè}

più di mille volte il fabbisogno energetico annuo mondiale.

Figura 2.1: Distanza Terra-Sole e dimensioni caratteristiche

Questo enorme quantitativo di energia risulta però poco concentrata e quindi ne- cessita di aree di raccolta molto vaste per intercettarne una quantità significativa. Inoltre lo sfruttamento dell’energia solare richiede sistemi ad alta efficienza tecno- logica che producono un costo finale molto più elevato rispetto ad altri metodi di generazione. La possibile scoperta e il successivo sviluppo di tecnologie che ren- dano economicamente vantaggioso l’utilizzo e lo sfruttamento dell’energia solare rappresenta quindi una sfida avvincente nel settore della ricerca scientifica. In questa ottica si inserisce il presente lavoro di tesi ed in particolare questo capitolo

dove vengono illustrate tutte le principali metodologie di sfruttamento dell’energia solare per poi introdurre i possibili sviluppi futuri di tale tecnologia.

2.1

Tecnologie di utilizzazione dell’energia solare

Negli ultimi anni hanno progressivamente preso campo due differenti correnti di pensiero con altrettante visioni in merito alla definizione di energia solare e dei metodi di sfruttamento e conversione di tale energia. In una visione allargata, tra i metodi di conversione sono spesso annoverati anche l’energia da biomasse e l’eolico perchè conseguenze dell’effetto dell’attività solare sul nostro Pianeta. Nel presente studio utilizzeremo una definizione più restrittiva, trattando soltanto i metodi di sfruttamento diretto dell’energia solare, cioè metodi che possano esse- re riferiti direttamente all’irraggiamento solare. Questa ci appare, dal punto di vista ingegneristico, l’unica classificazione possibile soprattutto per effettuare un confronto attendibile tra le diverse tecnologie.

Una prima distinzione tra i metodi di sfruttamento dell’energia solare viene ef- fettuata tra utilizzo passivo o attivo di tale energia. Nel solare passivo, utilizzato per il risparmio energetico in edilizia, calore e luce prodotti dal Sole non sono con- vertiti ma solo raccolti mediante svariati metodi di progettazione e costruzione. La più semplice concettualizzazione di solare passivo nella progettazione edilizia è rappresentata dalla serra, costruzione che permette alla luce solare di penetrare al proprio interno impedendone poi la successiva fuoriuscita, contribuendo quin- di ad un innalzamento delle temperature interne al locale. Banalmente anche il giusto orientamento dell’edificio e la corretta disposizione delle superfici vetra- te, abbinata ad una corretta gestione del sistema di schermatura, possono essere definiti come uno sfruttamento passivo dell’energia solare. In generale i sistemi solari passivi vengono suddivisi in tre categorie: sistemi a guadagno diretto, in- diretto (tra i quali i muri solari Trombe-Michel) e isolato. Nei primi l’energia solare penetra direttamente nell’ambiente abitato, mentre nei sistemi a guada- gno indiretto la radiazione solare viene ricevuta dai collettori (di norma superfici trasparenti) e immagazzinata sotto forma di energia termica nelle masse d’accu- mulo che la cedono agli spazi interni in modo graduale nel tempo. Infine, nei sistemi a guadagno isolato, la captazione avviene attraverso componenti indipen- denti dall’edificio, collegati agli ambienti abitati attraverso un sistema di condotti che trasferiscono il calore immagazzinato. In definitiva il solare passivo rappre- senta un modo virtuoso di sfruttare l’energia trasmessa dal Sole ma deve essere assolutamente parte integrante del progetto di costruzione originario, di una pro-

gettazione contestuale, a causa della quasi totale impossibilità di intervenire su strutture esistenti soprattutto se male orientate.

Figura 2.2: Sfruttamento passivo dell’energia solare

Per metodi di sfruttamento attivo o diretto dell’energia solare si intendono quei sistemi utilizzati per immagazzinare o convertire l’energia solare per utilizzarla in altre applicazioni come il riscaldamento dell’acqua per usi sanitari o domesti- ci, la produzione di calore per usi industriali o la produzione di elettricità, sia direttamente che attraverso l’utilizzo di turbine a vapore. Questi sistemi, che approfondiremo nei successivi paragrafi, sono ulteriormente suddivisi in sistemi termodinamici o fotovoltaici in base al metodo utilizzato per convertire o tra- sferire energia. Due ulteriori classificazioni sono basate invece sulla presenza o meno di un concentratore dei raggi solari incidenti e sull’utilizzo di un sistema di inseguimento solare.