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sabato 1 giugno 2024

Massima utilizzazione della Radiazione Solare: Tecnologie e Fattori Limitanti

Questo articolo esplora il tema della radiazione solare e della sua utilizzazione ottimale per le tecnologie solari. Si discute della quantità di energia solare disponibile sulla Terra, delle variazioni in base alla latitudine e alle condizioni meteorologiche, nonché dei fattori che influenzano l’efficacia della cattura di energia solare. Vengono fatte considerazioni relative all’orientamento e all’inclinazione dei collettori solari per massimizzare l’assorbimento energetico in base alle stagioni. Infine, si analizzano i limiti e le sfide legati alla presenza di ombre e agli ostacoli che possono influire sulla resa dei sistemi solari termici.


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Radiazione solare: ne abbiamo abbastanza?

Il Sole è un corpo plasmatico, quasi sferico, con un diametro di 1,392 milioni di chilometri (quello della Terra misura 12.740 chilometri).

Nella zona più interna si raggiungono temperature che vanno dai 15 ai 40 milioni di °C e in essa si svolge la reazione di fusione mediante la quale viene prodotta l’energia solare; in superficie le temperature sono comprese fra i 4.000 e i 6.000 °C. Il flusso di radiazione solare uscente dalla superficie del Sole è pari a 3,85 x 1023 kW.

Dopo un viaggio che dura circa otto minuti, la frazione di flusso radiante che raggiunge la Terra si riduce a solo 1,75x1014 kW, pari a circa due miliardesimi della potenza che il Sole ha riversato nello spazio.

La radiazione solare elettromagnetica emessa dal Sole copre una gamma di lunghezze d’onda molto ampia: da 0,1 nm a 10 m; tuttavia l’intervallo in cui ricade la maggior parte dell’energia è molto più ristretto ed è compreso fra 300 e 4.000 nm. In particolare il 95% di tutta l’energia che raggiunge la Terra è compreso fra 300 e 2.400 nm. La Terra assorbe 1 miliardo di miliardi di kWh/anno di energia solare, pari a circa 90 milioni di Mtep.

Può essere interessante confrontare questa cifra con il fabbisogno totale odierno di energia che è pari a circa 10.000 Mtep/anno: si trova che l’energia solare che la Terra intercetta ogni anno è circa 9.000 volte superiore al fabbisogno energetico odierno dell’umanità.

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Che cosa si intende per angolo di incidenza dei raggi solari?

Quanto più il sole risulta alto nella volta celeste, tanto più breve è il percorso che l’energia solare dovrà compiere per attraversare l’atmosfera. Viceversa, quanto più il sole risulta basso sull’orizzonte, tanto maggiore sarà il percorso d’atmosfera da attraversare: ciò causa un aumento del fenomeno di scattering, dunque un’intensità di energia solare diretta più bassa.

La quantità di energia solare disponibile sulla terra è dunque molto variabile, in relazione alla latitudine, all’ora e al giorno dell’anno (fattori astronomici) e in base alle specificità meteoclimatiche locali.

A causa dell’inclinazione dell’asse terrestre, infatti, i giorni d’estate risultano più lunghi di quelli invernali e il sole raggiunge altezze "apparenti" sulla volta celeste maggiori in estate che in inverno.

Tale effetto aumenta al diminuire della latitudine, vale a dire spostandosi dai poli verso l’equatore. Inoltre le caratteristiche regionali del clima che governano le formazioni nuvolose influenzano la disponibilità di energia solare.

Il valore massimo di altezza solare (minor percorso di atmosfera da attraversare) si verifica, alle nostre latitudini, a mezzogiorno del solstizio di giugno. Per latitudini maggiori (spostandosi verso nord) tale valore diminuisce (e aumenta il fattore di massa d’aria), per latitudini inferiori (verso sud) tale valore aumenta (e diminuisce il fattore di massa d’aria).

Durante l’arco dell’anno, ovviamente, nei due emisferi il contributo di energia solare rivela andamenti opposti: quando nell’emisfero nord è inverno, nell’emisfero sud si verificano apporti di energia solare maggiori, e viceversa.

Il fattore cielo nella cattura della Radiazione Solare

Come accennato in precedenza, anche la nuvolosità o, più in generale, se consideriamo l’inquinamento atmosferico, la condizione del cielo di una certa località, è una caratteristica che concorre a determinare la quantità di radiazione solare globale ricevuta da una superficie.

A latitudini analoghe, infatti, sulla base delle condizioni di cielo locali si possono verificare incrementi più o meno accentuati del fenomeno di scattering e, di conseguenza, contributi diversi delle componenti diretta e diffusa.

Nell’arco dell’anno, la radiazione solare globale può dunque essere soggetta a variazioni quotidiane significative, in particolare nelle località dove la variabilità delle condizioni metereologiche è più accentuata. Le considerazioni fatte finora possono ricondursi a quanto avviene per una superficie orizzontale, quale il tetto piano di un edificio.

Una superficie inclinata rispetto all’orizzontale, ed esposta a sud, riceve più energia a causa dell’angolo di incidenza della radiazione diretta.

Poiché il sole è più basso in inverno e più alto in estate, l’inclinazione ottimale della superficie captante risulta essere maggiore se si vuole raccogliere più energia in inverno e minore se si vuole privilegiare la raccolta nel periodo estivo.

Come si cattura al meglio la radiazione solare?

Per le tecnologie solari si usano normalmente le definizioni degli angoli specifiche, dove, in particolare, per convenzione l’angolo di azimut solare viene considerato pari a 0° in direzione sud e pari a 180° in direzione nord, con valori positivi verso ovest e negativi verso est.

Tuttavia, in ambito architettonico e nel settore delle costruzioni, a volte per descrivere l’angolo d’azimut solare sono adottati anche i seguenti valori: nord = 0°, est = 90°, sud = 180°, ovest = 270°.

Come semplice regola generale si può assumere che un collettore solare destinato a produrre calore durante tutto l’arco dell’anno (ad esempio per produrre acqua calda sanitaria a servizio di una abitazione) dovrebbe affacciarsi verso l’equatore (nel nostro emisfero, dunque, verso sud), con angolo inclinazione prossimo al valore della latitudine della località in esame.

Per avvantaggiare la captazione durante il periodo invernale (ad esempio per il riscaldamento degli ambienti) l’inclinazione dovrebbe essere pari alla latitudine +15° mentre, per favorire utenze stagionali estive, pari alla latitudine -15°.

Rispetto a queste indicazioni di massima lievi scostamenti non comportano variazioni prestazionali significative.

Come si comporta la radiazione solare quando raggiunge l’atmosfera?

La radiazione solare interagisce con l’atmosfera terrestre in vari modi. Parte della radiazione solare viene assorbita dall’atmosfera stessa, mentre una parte significativa raggiunge direttamente la superficie terrestre.

L’incidenza solare sull’atmosfera determina le condizioni climatiche e il riscaldamento globale.

Come si può sfruttare al meglio la radiazione solare?

Esistono molteplici modi per sfruttare efficacemente la radiazione solare. L’utilizzo di pannelli solari fotovoltaici e termici consente di convertire direttamente l’energia solare in elettricità o calore utilizzabile.

Ottimizzare l’incidenza solare dei pannelli solari attraverso l’orientamento e l’inclinazione massimizza l’efficienza energetica.

Che cosa accade alla radiazione solare che raggiunge la Terra?

Una volta che la radiazione solare raggiunge la Terra, parte di essa viene riflessa o assorbita dall’atmosfera, dalle nuvole e dalle superfici terrestri. La radiazione solare al suolo riscalda il pianeta e sostiene la vita attraverso il processo di fotosintesi nelle piante.

Le variazioni stagionali e geografiche influenzano l’incidenza solare e la distribuzione delle radiazioni solari sulla superficie terrestre.

I fattori limitanti da evitare per catturare la radiazione solare

La presenza di ombre riduce il rendimento di un sistema solare termico. In tal caso sarà necessario aumentare proporzionalmente la dimensione complessiva della superficie captante.

Per valutare se il sito di installazione dei collettori è soggetto a ombreggiamento, è necessario disporre di un rilievo in scala delle presenze fisiche dell’intorno, con le altezze di ogni elemento che potrebbe ostacolare la ricezione solare da parte del collettore (edifici, alberi, rilievi orografici ecc.).

Come prima indagine qualitativa, si può procedere attraverso la modellazione tridimensionale del sito, verificando, tramite i software di progettazione architettonica che lo consentono, l’andamento delle ombre per alcuni giorni tipo dell’arco dell’anno, oppure graficamente, avvalendosi di un diagramma dei percorsi solari relativo alla latitudine del luogo.

Esistono, infatti, diversi software che consentono di valutare gli effetti di ombreggiamento dovuto alla presenza di ostacoli.

Una volta inserite le altezze e gli angoli azimut degli ostacoli, i software calcolano l’interazione tra ostacoli e percorsi solari con diversi livelli di dettaglio che, a seconda della prestazione dello strumento informatico, vanno dalla semplice rappresentazione grafica (in sostituzione alla ricostruzione "manuale" del metodo grafico precedentemente descritto) alla valutazione numerica degli effetti di riduzione degli apporti di energia (calcolo del coefficiente di ombreggiamento reale).