Una breve descrizione delle problematiche relativa alla misura della radiazione solare.

1. La misura della
Radiazione Solare
Dott. Manuel Floris
manuelfloris@yahoo.it
Cagliari, 3 marzo 2011
Ricerca co-finanziata con fondi a valere sul PO Sardegna FSE 2007-2013 sulla L.R.7/2007
“Promozione della ricerca scientifica e dell’innovazione tecnologica in Sardegna”

2. Sommario - 1
●
La radiazione solare extraatmosferica:
●
●
Geometria Terra-Sole
La posizione apparente del
Sole
●
La radiazione solare a terra:
●
●
●
Interazione radiazioneatmosfera
Grandezze osservabili
Gli strumenti di misura:
●
Piranometro
●
Pireliometro

3. Sommario - 2
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La campagna di misura
●
●
●
La scelta degli strumenti
Stima dell'errore
L'analisi delle misure:
●
●
●
Il giorno limite
Parametro di nuvolosità
Indicazioni per un impianto
CSP:
●
●
Lo spettro di intensità
La durata media dei periodi
sopra-soglia

4. La radiazione solare extra-atmosferica
●
Costante solare media:
Gsc=1367 W/m2(Iqbal 1983)
●
A causa dell’eccentricità
dell’orbita terrestre, la distanza
Terra – Sole varia nell’arco
dell’anno causando una
variazione dell’irraggiamento
extraterrestre di circa ±3,4%.

5. La radiazione solare extra-atmosferica
●
Variazione della costante solare a causa del ciclo solare:
Gsc_max =1367,9 W/m2 ; Gsc_max =1363,5 W/m2 (Soho 2003)

6. La radiazione solare extra-atmosferica
●
Calcolo approssimato per la variazione della costante solare


360N
2
G 0=G SC [10,034 cos
]W / m 
365,25
N : numero dei giorni

7. La radiazione solare extra-atmosferica
Effetto coseno
è la riduzione della radiazione
solare dovuta all'incidenza su una
superficie inclinata rispetto alla
direzione normale alla
propagazione della radiazione
2
G 0, h =G 0 cos  z W / m 
Coordinate Altazimutali
 z : angolo zenitale
 : altezza
A: azimuth
 z=90 ° −

8. La radiazione solare extra-atmosferica
Percorso apparente del Sole: equinozi e solstizi
●
Equinozi:
21 marzo; 21 settembre
●
Solstizi:
21 dicembre; 21 giugno
Solstizio inverno
 max =90 ° −° 23° 27' 
Solstizio estate
 max =90 ° −° −23° 27 ' 
Equinozi
 max =90 ° − °
= latitudine
Cagliari lat. 39° 14 '
Solstizio inverno
 max =27° 19'
Solstizio estate
 max =74° 13'
Equinozi
 max =50° 46'

9. La radiazione solare extra-atmosferica
Il sistema di coordinate Equatoriali Orarie
Questo sistema permette di
descrivere la posizione di un
oggetto celeste tenendo
conto della rotazione terrestre
Coordinate Equatoriali Orarie
 angolo di declinazione :
è l ' angolo fra la direzione Terra−Sole e il piano equatoriale
 angolo orario:
è l ' angolo fra il meridianolocale e il cerchio orario che passa per il Sole
 angolo di latitudine

10. La radiazione solare extra-atmosferica
Calcolo dell'angolo di
Declinazione del Sole

284 N
=23,45 ° sin 360 °
365


11. La radiazione solare extra-atmosferica
Calcolo dell'angolo
orario del Sole
=15 t s−12  gradi
t s : ora solare locale
t s=t LS EOT 4 L std − Lloc 
t LS : ora locale standard
Lstd =longitudine del meridiano di riferimento
Lloc =longitudine del meridiano locale
Equazionedel Tempo
EOT =0,258 cos x−7,416 sin  x−3,648cos 2x−9,228 sin 2x  minuti
360 N −1
x=
EOT: le variazioni sono dovute alle
365,242
perturbazioni dell'orbita terrestre.
accuratezza di circa 30 sec

12. La radiazione solare extra-atmosferica
Determinazione della
posizione apparente del Sole:
passaggio dalle coordinate
equatoriali alle coordinate
altazimutali
sin =cos  z =sin  sin cos cos  cos
sin A=−cos  sin / cos 

13. La radiazione solare extra-atmosferica
Energia Giornaliera per m2
Extra-atmosferica, calcolata su
un piano normale e su una
superficie orizzontale
(1Mj=0,28kWh)

14. La radiazione solare a terra

15. La radiazione solare a terra
Scattering di Rayleigh: interazione con le molecole d’aria
●Scattering di Mie: interazione con le polveri e gli inquinanti atmosferici,
chiamati Aerosol
●Assorbimento molecolare dovuto alla presenza di: O , H O, O , CO
3
2
2
2
●Fenomeni di riflessione a livello di atmosfera
●
Tutti questi processi dipendono dalle condizioni atmosferiche
e dalla massa d'aria

16. La radiazione solare a terra
La massa d'aria m
È il rapporto tra il cammino
percorso da un raggio di sole
nell’atmosfera ed il cammino
minimo allo zenit, quando il raggio
solare incide normalmente alla
superficie terrestre.
m=0 assenza di massa d'aria
m=1 massa d'aria allo zenith
1
m∝
cos z
m=
1
cos z0,50596,07995 °− z −1,6364
 Kasten 1989

17. La radiazione solare a terra
Le grandezze osservabili
●
●
●
Radiazione solare Diretta DNI: è la
densità di flusso della radiazione solare
per unità di superficie ricevuta su un piano
perpendicolare alla direzione del Sole
Radiazione solare Diffusa Orizzontale
DHI: è la densità di flusso della frazione
della radiazione solare che urta contro le
molecole e le polveri, venendo riflessa in
tutte le direzioni
Radiazione solare Globale Orizzontale
GHI: è la densità di flusso della radiazione
solare per unità di superficie ricevuta su
un piano orizzontale e rappresenta la
somma della DNI con la radiazione solare
diffusa.
GHI =DNI⋅cos z DHI

18. Gli strumenti di misura
La misura della GHI e della DHI: il piranometro
Il piranometro:
è uno strumento che misura la
radiazione solare proveniente da
un angolo solido di 2π sr su una
superficie piana.
L'elemento sensibile di un piranometro è
una termopila formata da n termocoppie
collegate in serie ed è posta a contatto
con una sottile superficie assorbente e
annerita. La d.d.p generata è
proporzionale alla differenza di
temperatura e quindi alla radiazione
raccolta
La superficie è schermata con uno o due
calotte sferiche, ed isolata per evitare
perdite di calore dovute alla convezione e
alla conduzione.
É ' presente un deviatore per la radiazione
riflessa dal piano

19. Gli strumenti di misura
La misura della
radiazione
La risposta spettrale
del piranometro

20. Gli strumenti di misura
La misura della GHI e della DHI
Sun Tracker:
inseguitore solare dotato di un
computer per il calcolo delle effemeridi
del Sole e di un sun-sensor per la
correzione del puntamento.
Accuratezza <0,01°

21. Gli strumenti di misura
La misura della DNI: il pireliometro
Il pireliometro:
è uno strumento che misura la
radiazione solare proveniente da
un angolo che varia da 5° a 10°.
E' posizionato su un Sun Tracker.
L'elemento sensibile di un pireliometro è
una termopila formata da n termocoppie
collegate in serie ed è posta a contatto
con una sottile superficie assorbente e
annerita. La d.d.p generata è
proporzionale alla differenza di
temperatura e quindi alla radiazione
raccolta
L'elemento sensibile si trova sul fondo in
un tubo annerito, costruito per accettare la
radiazione da un cono di ampiezza pari a
5° -10° (angolo sotteso dal Sole 32')

22. Gli strumenti di misura
La risposta spettrale del
pireliometro
La misura della
radiazione

23. La campagna di misura

24. La campagna di misura

25. La campagna di misura
Stima dell'errore:
l'errore non è lineare e le
principali fonti principali di
errore sulle misure sono:
➔
➔
Sensibilità non lineare dovuta
alla dipendenza dalla
temperatura
errore direzionale
(Piranometro)
Raccomandazioni:
➔
➔
monitoraggio annuale della
curva di sensibilità
calibrazione biennale degli
strumenti

26. La campagna di misura
●
Pireliometro (DNI):
ISO First Class
●
●
errore sul valore dell'energia cumulata in un intervallo
inferiore all'ora ± 2,5%
Piranometro (DHI; GHI):
ISO Secondary Standard
●
errore sul valore dell'energia cumulata in un intervallo
inferiore all'ora ± 2,6%

27. La campagna di misura
Polveri:
una componente importante
che aumenta l'errore sulle
misure è dovuta alla
deposizione delle polveri sulla
superficie dello strumento
Raccomandazioni:
pulizia dello strumento a
cadenza giornaliera o
seguendo l'evoluzione del
tempo (pioggia, vento, etc.);
le operazioni di pulizia vanno
monitorate per stimare la
perdita di radiazione.

28. L'analisi delle misure

29. L'analisi delle misure

30. L'analisi delle misure

31. L'analisi delle misure
Giorno limite: giorno fittizio che
rappresenta il profilo di radiazione
massimo ottenibile per il giorno
migliore del mese in esame. Il
grafico del giorno limite viene
costruito prendendo i valori massimi
assunti dalla radiazione normale
diretta (DNI) per ciascun intervallo
di acquisizione di 10 minuti
compreso tra le ore 0:00 e le ore
23:50.
Giorno medio: giorno fittizio
rappresentativo delle condizioni
medie mensili della DNI. Il grafico
del giorno medio viene costruito
facendo la media dei valori della
DNI (mediata sui 10 minuti),
acquisiti giornalmente, per ciascun
intervallo di acquisizione di 10
minuti compreso tra le ore 0:00 e le
ore 23:50.
Il giorno limite permette di
conoscere le condizioni “limite” del
sito in esame

32. L'analisi delle misure
●
Parametro di nuvolosità:
varia tra:
1 nuvolosità massima
E DNI
P nu =1−
E DNI
med
max
0 assenza di nuvolosità
Ci permette di confrontare l'andamento della copertura
nuvolosa mese per mese e con i corrispettivi mesi delle serie
storiche.

33. L'analisi delle misure
Spettro di intensità della DNI:
grafico costruito calcolando per il periodo in esame, per ogni intervallo di DNI
indicato in ascisse, il corrispondente numero di ore medie giornaliere (o numero
di ore totali nel periodo in esame) ricadenti nel suddetto intervallo. Può essere
riferito ad un mese o all’intero anno e mostra in quali intervalli di radiazione si
concentra maggiormente la DNI del sito analizzato.

34. L'analisi delle misure
Lo Spettro di intensità della DNI è caratteristico del sito in esame
Stessa energia cumulata della DNI (1950 kWh/m2)
differenti spettri di intensità

35. L'analisi delle misure
Ulteriori informazioni relative alla distribuzione della radiazione si possono ricavare dal
grafico relativo alla durata media dei periodi con valore sopra soglia che è strettamente
legato allo spettro di intensità.
Tale grafico viene costruito riportando in ordinata il numero di ore medie giornaliere in cui
la radiazione solare diretta si è mantenuta al di sopra del valore di radiazione riportato in
ascissa. Le informazioni che si possono ricavare fissando una radiazione minima di soglia
di funzionamento di un impianto CSP sono importanti per una corretta valutazione della
producibilità dello stesso.

36. L'analisi delle misure

37. Grazie per l'attenzione

38. Bibliografia
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●
ENEA: “La misura e la stima della radiazione solare: l'archivio ENEA e il sito internet
dell'Atlante italiano della radiazione solare per la pubblicazione dei dati”; Spinelli,
Cogliani, Maccari, Milone (2007)
NREL/TP-550-47465: “Concentrating Solar power. Best Pratices Handbook for the
Collection and Use of Solar Resource Data”; Stoffel T., Renné D., Myers D., Wilcox
S., Sengupta M., George R., Turchi C. (2010)
NREL/TP-560-34302: “Solar Position Algorithm for Solar Radiation Applications”;
Reda e Andreas (2008)
WMO: “Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation”, WMO-No.
8, settima edizione (2008)
Kasten F. , Young A.T., “Revised optical air mass tables and approximation formula” ,
Applied Optics 28 (1989), 4735-4738