Irradiazione solare

Da TecnoLogica.

Irradiazione di una superficie investita direttamente o indirettamente dai raggi del sole.

Descrizione

Quantità di energia elettromagnetica emessa dal sole e ricevuta da una superficie in un periodo di tempo determinato: un giorno, un mese, o un anno.
L'irradiazione è quindi l'integrale dell'irraggiamento solare: stabilito il tempo di osservazione, essa è formalmente espressa dalla relazione

.

Quando la quantità di energia si riferisce ad un valore mediato nel tempo su dati statistici (come avviene per i dati meteorologici), il simbolo utilizzato porta un soprasegno: .
Questa quantità di energia dipende da diversi fattori, ed in particolare:

• dalla inclinazione della superficie;
• dalla posizione geografica del luogo;
• dalla limpidezza della volta celeste, e cioè dalla presenza/assenza di nuvole.

Per tale motivo, l'irradiazione solare in un particolare luogo viene espressa da due valori: l'irradiazione solare giornaliera media mensile diretta e diffusa su un piano orizzontale. Le norme tecniche^[1] mettono a disposizione una tabella (riportata più sotto) nella quale sono riportate le irradiazioni solari giornaliere medie mensili dirette e diffuse per 101 città italiane, ed è descritto un protocollo per la stima dei medesimi valori per qualsiasi punto del territorio nazionale.
l'Ente Nazionale Energie Alternative mette a disposizione sul proprio sito l'Atlante italiano della radiazione solare, che contiene mappe e procedure di previsione per il calcolo dei valori di irradiazione.

Misurazione

La misurazione dell'irradiazione solare avviene utilizzando uno strumento detto piranometro, in grado di eseguire la misura della quantità di energia incidente su di esso.

Calcolo

Irradiazione giornaliera media mensile

Per eseguire il calcolo secondo la norma UNI, è possibile scaricare questo tool gratuito in formato Excel. Prima dell'utilizzo leggi le avvertenze. La norma italiana divide la valutazione in due fasi: determinare l'irradiazione diretta e diffusa sul piano orizzontale[1]; determinare l'irradiazione su un generico piano comunque inclinato[2]. Piano orizzontale Per determinare l'irradiazione sul piano orizzontale si individuano dalla tabella riportata accanto le due stazioni meteorologiche più prossime alla località di calcolo; indicando con i pedici r1 e r2 le quantità riferite alle stazioni, e con il pedice c le quantità riferite al luogo di calcolo, la formula: permette di valutare le irradiazioni cercate, dove: indica l'irradiazione diretta o diffusa; indica la latitudine del luogo. Naturalmente l'operazione deve essere ripetura per i due valori e allo scopo di conoscere le aliquote di radiazione diretta e diffusa. La quantità totale è invece determinata dalla semplice relazione: . Piano inclinato Conosciuti i valori sul piano orizzontale è possibile procedere alla determinazione dell'irradiazione solare su un piano genericamente inclinato.

Posizione delle stazioni

Tabella delle irradiazioni

Per fare ciò bisogna quindi conoscere:

• l'inclinazione β della superficie rispetto al piano orizzontale;
• l'azimut γ della superficie rispetto alla direzione sud (con verso orario positivo);
• la declinazione δ del sole.

Si calcolano quindi i seguenti valori:

Occorre poi determinare gli angoli orari corrispondenti all'apparire ed allo scomparire del sole rispetto alla superficie considerata. Questi non necessariamente corrispondono all'alba ed al tramonto ma dipendono dall'orientamento della superficie; infatti possono esistere superfici orientate in modo da non ricevere mai la radiazione diretta. Per fare ciò si distinguono due casi:

1. non sono presenti ostacoli tra il sole e la superficie;
2. sono presenti ostacoli tra il sole e la superficie.

Nel primo caso, si determina il valore:

;

se U² + V² - T² > 0 , si calcolano le radici reali della relazione e si determinano le soluzioni ω₁ e ω₂, designando con ω₁ quello delle due radici che rispetta la relazione:

V cos(ω₁) > U sin (ω₁). Nel caso le radici siano complesse, allora o la superficie è sempre esposta al sole o non lo è mai. Il primo caso si verifica se T + U > 0: gli angoli orari corrispondono all'alba ed al tramonto astronomico; il secondo caso si verifica se T + U < 0, ed allora la superficie avrà soltanto un irraggiamento diffuso.
Ai fini del calcolo, gli angoli di alba e tramonto possono essere determinati semplicemente utilizzando la seguente relazione:

e ponendo poi ω₁ = - ω_s e ω₂ = ω_s.
Ottenuti i valori di ω, si calcolano i valori di T e U per il piano orizzontale, che corrispondono alle relazioni:

;

.

Sono ora noti tutti i coefficienti necessari a calcolare l'irradiazione diretta sulla superficie e sul piano orizzontale grazie alle seguenti formule:

,

ed è quindi noto anche il rapporto:

,

avendo posto per G_o la costante solare.
Si ricava quindi il fattore:

,

dove ρ è l'albedo del tereno, e le aliquote di irradiazione diffusa sono calcolate secondo un modello di cielo isotropo.
A questo punto l'irradiazione cercata è valutabile con la relazione:

.

Irradiazione totale annua

Conosciuti i valori di irradiazione giornaliera media mensile, la radiazione annua è facilmente desumibile dalla relazione:

,

dove è l'irradiazione totale del mese numero k e n_k è il numero dei suoi giorni.

Voci correlate

• Albedo
• Clima meteorologico
• Costante solare
• Irradiazione
• Irraggiamento
• Modello di cielo
• Piranometro

Note

1. ↑ ^{1,0 1,1} UNI 10349:1994.
2. ↑ UNI 8477-1:1983.

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