progettare
➲ progettare & costruire
di FABIO GARIBBO
COSTRUIRE UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO
(parte seconda)
l’orientamento
In questo breve articolo
ci occuperemo di come orientare
un pannello fotovoltaico usando
le formule che stanno alla base
di questa operazione.
Dopo aver calcolato l’angolazione
che il raggio solare
ha in un preciso punto sulla terra,
faremo delle deduzioni
su come orientare correttamente
un pannello solare
L
a terra riceve la radiazione luminosa del Sole con angolazioni che sono diverse nelle varie ore del giorno e nelle varie zone. Scopo di un progettista è ottenere la massima resa dell’impianto in termini di conversione di energia elettrica. Per
questo esistono delle relazioni matematiche che regolano il
percorso del sole,
modo tale da poter
ottenere in ogni zona della Terra l’inclinazione del suo raggio. In questa sezione
non sarebbe interessante e risulterebbe
noioso ricavare e dimostrare le relazioni
che seguiranno, semplicemente ci si limita
a riportarle e a discuterne l’utilità.
In primo luogo chiariamo che un impianto fotovoltaico ha si bisogno della luce solare e quindi di condizioni climatiche che
favoriscono l’irraggiamento, ma anche
in zone in cui questo non fosse particolarmente favorevole non significa che non
Figura 1: diagramma di irraggiamento della regione Toscana.
38
& costruire
AZIMUTH
Figura 2: radiazione media annuale.
Figura 3: angolazione Terra - Sole.
possa essere installato un impianto a
patto di accettare alcune limitazioni sulle
prestazioni. Di solito si consiglia di orientare le superfici captanti (i pannelli), verso
Sud nell’emisfero boreale e a Nord in
quello australe. In quest’ottica si deve in
primo luogo cercare il Sud e il suo orientamento. Il Sud, per l’emisfero boreale,
rappresenta un buon compromesso fra le
diverse radiazioni nelle varie stagioni del-
l’anno. Questo quando le superfici captanti vengono installate con un angolo
di orientamento spaziale fisso. Una soluzione a questo tipo di impianto è costituita
dalle superfici orientanti che inseguono la
traiettoria del Sole. Come si può capire
questo tipo di impianto ha un costo che
supera di molto quello a superfici captanti
fisse.
In alcuni casi si apportano delle correzioni
ai calcoli per dare maggiore rilievo a determinate condizioni di orientamento, per
esempio all’irraggiamento invernale piuttosto che quello estivo quando per esempio un abitazione sfrutta l’energia elettrica per il riscaldamento. Di seguito si sono riportate due mappe, già compilate, in
cui si riporta in una (figura 1) il diagramma di irraggiamento della regione Toscana, (fonte www.energiazero.it), in cui
si mostra che tipo di angolazione ha il
raggio solare rispetto al punto irraggiato;
e una (figura 2) che mostra la radiazione
media annuale sulla crosta terrestre. Attraverso una mappa come quella riportata
in figura 1 si può conoscere l’angolo di in-
L’azimut (o azimuth) è la distanza
angolare di un punto dalla
direzione del Nord rete, al punto
in cui la perpendicolare calata di
un punto (stella) incontra l’
orizzonte, calcolata muovendosi
in senso orario. È un termine
usato prevalentemente in
astronomia e in aeronautica e
deriva dall’arabo as-samt (la
direzione) o dal suo plurale assumut (le direzioni). L’ azimut può
anche essere la distanza angolare
di un punto dalla direzione del
Nord; in questo caso però si sta
parlando di coordinate polari, non
più astronomiche. In termini
tecnici, l’azimut è l’angolo diedro
orientato, avente come spigolo la
verticale del luogo misurato e per
facce il piano meridiano locale e
il piano verticale passante per un
corpo celeste o per un punto
qualsiasi. In pratica se si unisce
con una linea l’osservatore al
Nord, con un’altra linea
l’osservatore all’oggetto
osservato e si fa scorrere una
semiretta centrata
sull’osservatore in senso orario
sul cerchio dell’orizzonte,
l’angolo che quella semiretta
deve percorrere per passare dalla
direzione Nord alla direzione
dell’oggetto rappresenta l’azimut
dell’oggetto stesso.
Convenzionalmente, il Nord ha
azimut pari a 0 gradi, l’Est azimut
pari a 90 gradi, il Sud a 180 gradi
e l’Ovest a 270 gradi. L’azimut
copre pertanto la gamma di
angoli da 0° incluso a 360°
esclusi. Si noti che l’angolo piano
misurato direttamente
congiungendo, p.es., la Stella
Polare, l’oggetto osservato e
l’osservatore come vertice è
normalmente inferiore all’azimut.
[fonte: Wikipedia]
39
progettare & costruire
➲ progettare & costruire
Figura 5: dispositivo di orientamento automatico.
PER approfondire...
www.energiazero.it
http://it.wikipedia.org
www.csvaltellina.it/gira.html
www.susdesign.com/popups/sunangle/altitude.php
cidenza del raggio solare rispetto ad un
punto di coordinate precise e quindi cercare di orientare le superfici captanti in
maniera opportuna. La seconda mappa
invece mostra quali potrebbero essere
le zone della crosta terrestre più idonee ad
installazioni di superfici captanti. Ma cerchiamo di capire meglio come si ricava
una mappa come quella di figura 1.
Facendo riferimento alla figura 3 e alla figura 4 si è chiamato:
• angolo di Azimut=la distanza angolare
di un punto dalla direzione del Sud, (la definizione corretta sarebbe riferita al polo
Nord);
• angolo Terra-Sole=l’angolo che l’orizzonte fa con il Sole.
L’angolo di Azimuth, rimane costante se
l’oggetto rimane fermo, ma il Sole è in movimento!! L’angolo relativo all’altezza del
Sole dall’orizzonte, che chiameremo angolo Terra-Sole, varia durante la giornata,
quindi la mappa deve riportare le varie angolazioni solari, rispetto al punto di riferimento sulla Terra, in funzione delle ore
giornaliere, del giorno e del mese.
Figura 6: confronto fra orientamento classico e automatico.
40
CODICE MIP 275041
progettare & costruire
➲ progettare & costruire
...curiosità
ENERGIA IRRADIATA
ED ENERGIA UTILE
All’interno del sole avvengono
incessantemente reazioni termonucleari di fusione, che
sprigionano enormi quantità
di energia sotto forma di radiazioni elettromagnetiche.
L’energia irradiata si propaga nello spazio, e dopo aver
attraversato l’atmosfera arriva
al suolo con una intensità mediamente pari, in funzione dell’inclinazione del sole sull’o2
rizzontale, a circa 1.000 W/m
(irraggiamento al suolo, in
condizioni di giornata serena e
sole a mezzogiorno). Questo
enorme flusso di energia che
arriva sulla Terra è pari a circa 15.000 volte l’attuale consumo energetico mondiale, di
cui solo una parte può essere
trasformata in energia utile. La
quantità di energia solare che
arriva sulla superficie terrestre e che può essere utilmente “raccolta” da un dispositivo fotovoltaico o termico
dipende dall’irraggiamento
del luogo. L’irraggiamento è,
infatti, la quantità di energia
solare incidente su una superficie unitaria in un determinato intervallo di tempo, ti2
picamente un giorno (kWh/m
al giorno); il valore istantaneo della radiazione solare
incidente sull’unità di superficie viene invece denominato
2
radianza (kW/m ). L’irraggiamento è influenzato dalle condizioni climatiche locali (nuvolosità, foschia ecc…) e dipende dalla latitudine del luogo: cresce quanto più ci si avvicina all’equatore.
42
Nella figura 1 sono tracciate le curve
nei diversi giorni dell’anno sopra indicati.
Gli orari hanno un riferimento azzurro (linea azzurra tratteggiata) e indicano, con
l’intersezione della curva giornaliera (linea
nera continua), un punto che avrà due
coordinate:
• quella dell’asse X che indicherà l’angolo
di Azimuth, cioè lo scostamento del Sole rispetto al polo Sud;
Figura 4: azimut di un oggetto FISSO!
• quella dell’asse Y che indicherà l’angolo
rispetto all’orizzonte.
Questa cartina è quindi utile nel caso si vogliano posizionare superfici captanti come
i pannelli solari nella zona mappata o nelle immediate vicinanze, più ci si discosta dal
punto mappato e meno è affidabile la cartina. Si ricorda che il massimo irraggiamento della superficie si ha quando il raggio incidente (vedi numero scorso) colpisce
la superficie con un angolo di 90°. Le due
coordinate rilevate sono funzione del tempo, cioè il Sole si sposta rispetto all’orizzonte e al polo Sud durante la giornata,
quindi il pannello sarà rivolto esattamente
a 90°(angolazione ideale per ottenere il
massimo irraggiamento da una fonte luminosa), rispetto al raggio solare, per un
breve periodo del giorno.
Sorgono allora alcune domande:
1- Ma allora il pannello “funziona”, cioè da
energia elettrica o termica, per così poco
tempo?
• Anche se l’ angolo del raggio incidente
non è 90° il pannello è comunque colpito
da radiazione luminosa, che viene convertita in energia elettrica o termica in
quantità minore rispetto all’angolo massimo ideale (90°). Il pannello, insomma,
svolge comunque la sua funzione di convertitore.
2- Come posso fare per avere un rendimento maggiore?
• Esistono dei sistemi composti da attuatori elettrici e da sensori che
movimentano le superfici captanti in
modo da orientarli sempre a 90°
con i raggi solari. Una sorta di...
girasoli tecnologici!
In figura 5 si riporta un dispositivo
della CSV Valtellina atto a far ruotare
pannelli fotovoltaici per l’inseguimento del raggio solare.
In figura 6 è mostrato il grafo di
confronto del rendimento fra pannelli movimentati da dispositivi di
orientamento e pannelli fissati in
modo classico, cioè fissi rispetto al
movimento del raggio solare.
Per compilare una mappa di irraggiamento è sufficiente disporre di un sestante, per misurare l’angolo Terra-Sole e
di una bussola per determinare il polo
Sud e quindi determinare l’angolo di Azimuth, così come lo abbiamo definito in
questo documento. Si consiglia di compilare la mappa per alcune delle ore del
giorno e per alcuni giorni significativi dell’anno, altrimenti la compilazione delle
mappe avrebbe durata quasi insopportabile!! In ogni caso queste mappe, già
compilate, sono a disposizione sulla rete
internet.
CONCLUSIONI
Nel prossimo numero inizieremo a comprendere come è strutturato un impianto
fotovoltaico partendo da un semplice
schema a blocchi fino ad arrivare ad analizzare i singoli dispositivi. ❏
CODICE MIP 500117
