PREMESSA

In questa pagina cercheremo di spiegare in maniera non troppo complessa le proprietà della radiazione solare incidente sulla superficie terrestre e i fattori che ne determinano l’intensità.

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Prima di fare questo però, vogliamo riportarvi quello che è il succo della questione:

la potenza incidente su una data superficie unitaria della Terra dovuta alla radiazione solare varia in funzione della latitudine, dell’ora del giorno e del periodo dell’anno. Alle nostre latitudini, può così passare da valori di poco meno di 850 W/m2 nelle ore centrali delle giornate estive a poco più di 200 W/m2 nel periodo invernale, soprattutto se il cielo non è completamente sereno.

Per questo motivo, è facile riconoscere come alle nostre latitudini i forni solari a bassa efficienza – in genere i forni a scatola – potranno essere impiegati solo da marzo a settembre, mentre solo i forni solari ad alta efficienza – in particolare i forni a parabola – permetteranno di cucinare anche durante gli altri mesi dell’anno (si veda al proposito il manuale di Gianni Crovatto).

Vediamo ora un po’ più nel dettaglio le proprietà della radiazione solare.

CARATTERISTICHE DELLA RADIAZIONE SOLARE

La radiazione solare rappresenta l’energia radiante emessa dal Sole in tutte le direzioni dello spazio.

Si tratta di una radiazione elettromagnetica il cui spettro si concentra principalmente tra 100 nm e 2 μm. La potenza corrispondente a tale radiazione, ovvero l’energia per unità di tempo, riferita all’unità di superficie, viene definita irradianza. Riferendosi poi più nello specifico ad ogni frequenza dello spettro della radiazione, si parla di irradianza spettrale:

 

Spettro della radiazione solare al di fuori dell'atmosfera e sulla superficie terrestre (fonte wikipedia).

Irradianza spettrale solare al di fuori dell’atmosfera e sulla superficie terrestre e confronto con lo spettro di un corpo nero – curva continua nera – a 5250 °C (fonte wikipedia).

 

Considerando l’enorme distanza del Sole dalla Terra, pari a circa 150 milioni di chilometri e le dimensioni relativamente piccole di quest’ultima, è possibile assumere che tutti i raggi solari che colpiscono un dato punto della superficie terrestre siano paralleli tra loro.

Se si va a sommare la potenza di tutto lo spettro della radiazione solare incidente su l’unità di superficie dell’atmosfera terrestre – che equivale a effettuare l’integrale della figura dell’irradianza spettrale all’esterno dell’atmosfera riportata nell’immagine soprastante – è possibile determinare la cosiddetta costante solare.

Essa viene assunta in media pari a 1367 W/m2, anche se in realtà presenta una piccola variabilità, dovuta alla variazione annua della distanza della terra dal sole, passando da un minimo di 1321 W/m2 ad un massimo di 1412 W/m2.

E’ allora questa la quantità di energia ricevuta nell’unità di tempo e per unità d’area sulla superficie terrestre perpendicolare alla radiazione incidente?

Assolutamente no. Vi sono infatti alcuni fattori che determinano un’attenuazione dell’energia solare di cui si può beneficiare in un punto posto sulla superficie della Terra. In particolare, questi sono:

(1) atmosfera terrestre, che è in grado di attenuare in parte la radiazione incidente per effetto dello scattering e dell’assorbimento della radiazione medesima. L’attenuazione è funzione della distanza percorsa dai raggi nell’attraversare l’atmosfera e dipende dall’altitudine e dall’elevazione del sole rispetto all’orizzonte, a sua volta legato alla latitudine, all’ora del giorno e al mese dell’anno;

(2) condizioni meteorologiche, con particolare riferimento alla copertura nuvolosa, che incidono sulla capacità dell’atmosfera terrestre di assorbire la radiazione solare;

 

(1) ATMOSFERA TERRESTRE

Per descrivere gli effetti associati al punto (1), si usa introdurre anzitutto la grandezza Massa d’Aria, o Air Mass (AM), che rappresenta lo spessore di aria standard attraversato dalla radiazione solare in direzione perpendicolare alla superficie terrestre.

AM = 1* (1 – 0,1 * altitudine)/sin h,

dove h è l’angolo di zenit, che rappresenta l’altezza del sole sull’orizzonte.

Al di fuori dell’atmosfera terrestre AM=0 e si indica pertanto anche come AM0. Con una elevazione del sole pari a 90° AM = 1 e si parla di AM1.

Per una interpretazione grafica del coefficiente AM, si rimanda alle figure riportate nel sito di Enerpoint o della Newport Corporation (figura 4).

A livello del mare, con angolo di zenith di 90° e in condizioni atmosferiche ottimali il valore della radiazione solare è pari a circa 1000 W/m2.

Tuttavia, le condizioni atmosferiche, la latitudine, l’ora del giorno e il periodo dell’anno possono incidere enormemente su questo valore, che può risultare anche inferiore ai 200 W/m2!

 

(2) CONDIZIONI METEOROLOGICHE

Per quanto attiene alle condizioni meteorologiche, invece, è opportuno segnalare come la radiazione solare possa essere distinta nelle sue componenti di radiazione diretta, diffusa e riflessa.

La radiazione diretta è quella di maggiore interesse ai fini dell’utilizzo dei forni solari, pertanto è opportuno stimarne l’entità in condizioni operative.

In particolare, al variare della copertura nuvolosa, si assiste ad un progressivo aumento della componente diffusa rispetto alla componente diretta.

Il sito www.consulente-energia.com, nella pagina relativa alla descrizione della radiazione solare, riporta al paragrafo 4), “Le varie componenti dell’irradianza solare sulla terra”, una tabella orientativa sulla ripartizione della radiazione solare tra la componente diretta e quella diffusa al variare delle condizioni meteorologiche.

 

LA POTENZA MESSA A DISPOSIZIONE DAL SOLE – CALCOLO ESEMPLIFICATIVO

Cerchiamo allora di avere un’idea della potenza disponibile ogni mese in un intervallo di cinque ore comprese fra le 9:30 e le 14:30, in cui intendiamo cucinare le nostre pietanze.

Per fare questo, dobbiamo ricorrere ad un database online che, a partire dall’indicazione del luogo e del periodo dell’anno, ci possa fornire il dato relativo all’irradianza solare in condizioni di cielo sereno e all’irradianza solare media nel corso del giorno per un dato periodo dell’anno. Per irradianza solare “media” si intende un valore medio dell’irradianza che tenga conto delle condizioni meteorologiche tipiche del periodo preso in considerazione.

Nel nostro caso, abbiamo deciso di utilizzare le “Photovoltaic Geographical Information System – Interactive Maps”, selezionando la scheda relativa alla “daily radiation”.

In fondo a questo capitolo vi riportiamo i risultati delle query relative ai mesi di marzo, giugno, settembre e dicembre avendo assunto come località Pesaro. Si noti l’incidenza significativa della copertura nuvolosa sull’irradianza effettivamente disponibile al suolo. Per ogni query, si riportano sia i dati relativi ad un piano orizzontale, sia ad un piano che segua il sole in modo che i raggi incidenti siano sempre perpendicolari ad esso.

Ciò corrisponde ad ipotizzare che i raggi solari siano sempre perpendicolari alla copertura del nostro forno. A livello pratico, per ottenere questo, dovremmo inclinare il forno in funzione dell’elevazione del sole all’orizzonte. La cosa risulterà più difficoltosa di inverno per i forni a scatola, visto che, essendo il sole molto basso all’orizzonte, sarà difficile inclinare il forno dell’angolo ottimale senza che la pentola al suo interno rischi di ribaltarsi.

Cliccando quindi sul LINK sottostante, potrete visualizzare i risultati delle query effettuate sul PVGIS:

Solar_Irradiance_Data

 

PER APPROFONDIMENTI

Un sito molto interessante che descrive le proprietà della radiazione solare per favorirne la valorizzazione ottimale tramite impianti fotovoltaici è pveducation.org, curato da Christiana Honsberg e Stuart Bowden, che lavorano ai Solar Power Labs della Arizona State University.

Un altro riferimento più snello ed immediato può essere rappresentato dai seguenti due post sul sito di appuntidigitali.it, a cura di Simone Serra:

“Energia dal sole – quadro generale ed irraggiamento extraterrestre”;

–  “Energia dal Sole: radiazione al suolo e su un pannello inclinato”;