e abstract - Dario Flaccovio Editore su Geoexpo
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Abstract tratto da www.darioflaccovio.it - Tutti i diritti riservati COLLANA LEX10 - RISPARMIO ENERGETICO 3 Abstract tratto da www.darioflaccovio.it - Tutti i diritti riservati Nella stessa collana 1. Daniele Alberti - Antonio Mazzon Progettazione di impianti di riscaldamento 2. Daniele Alberti - Antonio Mazzon Lex10 professional 3. Luca Rubini - Mario Di V eroli - Alfonso Calabria Sistemi solari termici Abstract tratto da www.darioflaccovio.it - Tutti i diritti riservati Antonio Vincenti SISTEMI FOTOVOLTAICI IMPIANTI SOLARI IN CONTO ENERGIA Abstract tratto da www.darioflaccovio.it - Tutti i diritti riservati Antonio Vincenti SISTEMI FOTOVOLTAICI ISBN 978-88-579-000-3 © 2006 by Dario Flaccovio Editore s.r.l. - tel. 0916700686 www.darioflaccovio.it [email protected] TERZA EDIZIONE: luglio 2010 Stampa: Officine Grafiche Riunite, Palermo, luglio 2008 Vincenti, Antonio <1975-> Sistemi fotovoltaici : impianti solari in conto ener gia / Antonio Vincenti. – 3. ed. – Palermo : D. Flaccovio, 2010. (Lex 10 risparmio energetico ; 3) ISBN 978-88-579-000-3. 1. Impianti solari. 621.47 CDD-22 SBN Pal0228304 CIP - Biblioteca centrale della Regione siciliana “Alber to Bombace” Nomi e marchi citati sono generalmente depositati o registrati dalle rispettive case produttrici.. Le fotocopie per uso personale del lettore possono essere ef fettuate nei limiti del 15% di ciascun volume/fascicolo di periodico dietro pagamento alla SIAE del compenso previsto dall’art. 68, commi 4 e 5, della legge 22 aprile 1941 n. 633. Le riproduzioni effettuate per finalità di carattere professionale, economico o commerciale o comunque per uso diverso da quello personale pos sono essere effettuate solo a seguito di specifica autorizzazione rilasciata dagli aventi diritto/dall’editore. @ SERVIZI GRATUITI ON LINE Questo libro dispone dei seguenti servizi gratuiti disponibili on line: • • • • filodiretto con gli autori le risposte degli autori a quesiti precedenti files di aggiornamento al testo e/o al programma allegato possibilità di inserire il proprio commento al libro. L'indirizzo per accedere ai servizi è: www.darioflaccovio.it/scheda/?codice=DF0003 Abstract tratto da www.darioflaccovio.it - Tutti i diritti riservati INDICE Premessa ..............................................................................................................pag. 7 CAPITOLO 1 – Introduzione e cenni storici 1.1. Introduzione ................................................................................................ 1.2. Cenni storici ................................................................................................ 1.2.1. Il Sole degli antichi .......................................................................... 1.2.2. Storia dell’effetto fotovoltaico .......................................................... » » » » 9 10 10 10 CAPITOLO 2 – La radiazione solare 2.1. Cenni di geografia astronomica .................................................................. 2.1.1. La Terra.............................................................................................. 2.1.2. Il Sole ................................................................................................ 2.1.3. Le interazioni tra la Terra e il Sole .................................................... 2.1.4. Cenni sul magnetismo terrestre ........................................................ 2.1.5. L’irraggiamento extratmosferico e la costante solare ...................... 2.1.6. Lo spettro solare ................................................................................ 2.1.7. Il rilevamento degli astri nella volta celeste ...................................... 2.2. L’irraggiamento al suolo .............................................................................. 2.2.1. L’irraggiamento al suolo in condizioni di giornata serena ................ 2.2.2. Inclinazione della superficie captante .............................................. 2.2.3. Radiazione diretta incidente su una superficie inclinata .................. 2.2.4. Radiazione diffusa incidente su una superficie inclinata .................. 2.2.5. Radiazione riflessa incidente su una superficie inclinata .................. 2.2.6. Radiazione globale incidente su una superficie inclinata ................ 2.2.7. Scomposizione della radiazione solare ............................................ » » » » » » » » » » » » » » » » 13 13 14 16 17 19 20 21 27 29 30 31 32 33 34 34 CAPITOLO 3 – Fisica della conversione fotovoltaica 3.1. La costante di Planck e l’ener gia del fotone .............................................. 3.2. La fisica dell’effetto fotovoltaico ................................................................ 3.2.1. Struttura a bande di energia .............................................................. 3.2.2. L’effetto fotoelettrico ........................................................................ 3.2.3. Coppie elettrone-lacuna .................................................................... 3.2.4. Processo di drogaggio dei semiconduttori ........................................ 3.2.5. Giunzione p-n .................................................................................... » » » » » » » 37 37 38 39 41 42 44 CAPITOLO 4 – Componenti di un impianto fotovoltaico connesso in r ete 4.1. Sistemi fotovoltaici ...................................................................................... 4.1.1. La cella fotovoltaica .......................................................................... 4.1.2. Il modulo fotovoltaico ...................................................................... 4.1.3. Il generatore fotovoltaico .................................................................. 4.1.4. L’inverter .......................................................................................... 4.1.5. Le strutture di sostegno .................................................................... 4.2. Sistemi fotovoltaici integrati in architettura ................................................ » » » » » » » 45 47 51 52 53 54 57 Abstract tratto da www.darioflaccovio.it - Tutti i diritti riservati CAPITOLO 5 – Progettazione di un impianto fotovoltaico connesso in r ete 5.1. Studio di fattibilità e analisi dell’utenza ...................................................... 5.2. Analisi delle ombre e diagrammi solari ...................................................... 5.2.1. Studio delle ombre sistematiche tra file parallele ............................ 5.3. Analisi di producibilità di un impianto fotovoltaico .................................. 5.4. Criteri di scelta dei componenti .................................................................. 5.4.1. Moduli fotovoltaici ............................................................................ 5.4.2. Convertitori statici ............................................................................ 5.4.3. Cavi elettrici per energia .................................................................. 5.4.4. Quadri elettrici .................................................................................. 5.4.4.1. Quadro di campo .................................................................. 5.4.4.2. Quadro di interfaccia rete .................................................... 5.5. Sistemi di distribuzione per impianti fotovoltaici ...................................... 5.6. Criteri di protezione dalle scariche atmosferiche ........................................ 5.6.1. Strutture sprovviste di impianto LPS ................................................ 5.6.2. Strutture provviste di impianto LPS .................................................. 5.7. Manutenzione di un impianto fotovoltaico ................................................ » » » » » » » » » » » » » » » » 61 61 63 63 65 66 67 67 68 68 68 69 70 71 72 72 CAPITOLO 6 – Aspetti economici 6.1. Il costo del chilowattora .............................................................................. » 6.2. L’energy pay back time .............................................................................. » 6.3. Il conto energia ............................................................................................ » 75 75 76 CAPITOLO 7 – Software di calcolo per impianti solari fotovoltaici tetti FV 7.1. Presentazione del software .......................................................................... 7.2. Requisiti minimi di sistema ........................................................................ 7.3. Installazione ................................................................................................ 7.3.1. Installazione del programma ............................................................ 7.4. Attivazione del programma ........................................................................ 7.4.1. Il sistema di protezione ...................................................................... 7.4.2. Istruzioni per la attivazione via Internet ............................................ 7.4.3. Attivazione telefonica........................................................................ 7.5. Assistenza tecnica ........................................................................................ 7.6. Descrizione dell’ambiente di lavoro ............................................................ » » » » » » » » » » 81 82 82 82 82 82 83 83 83 83 Progetti.................................................................................................................. » 105 Glossario – Terminologia tecnica ........................................................................ » 195 Bibliografia .......................................................................................................... » 208 Abstract tratto da www.darioflaccovio.it - Tutti i diritti riservati Premessa L’energia solare è tra le fonti ener getiche, quella in maggiore abbondanza sulla Terra. Ogni anno infatti, il Sole irradia sul nostro pianeta circa 20.000 miliardi di TEP (Tonnellate equivalenti di Petrolio) mentre solo 11 miliardi di TEP sarebbero sufficienti a soddisfare le richieste ener getiche di tutto il pianeta. Dal postulato fondamentale di Lavoisier, “nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma”, deriva il punto cardine del principio di conservazione dell’energia; eppure l’uomo continua a vivere comportandosi in aperta violazione di tale con cetto, basando le proprie scelte quotidiane sulla convinzione che le risorse si creino dal nulla, che i rifiuti si distruggano nel nulla e che tutto rimanga sempre uguale senza nessuna trasformazione. Il problema energetico sta esercitando negli ultimi anni un notevole interesse in tutto il mondo a causa dell’inesorabile esaurimento dei combustibili fossili quali petrolio, carbone e metano con i quali oggi produciamo oltre il 90% dell’energia nel mondo. Sono bastati infatti alcuni decenni di industrializzazione per svuota re i “giacimenti di energia”, creati in migliaia di anni da lenti processi naturali. La richiesta energetica globale di ener gia aumenta oggi con un ritmo di circa il 2% l’anno, ciò significa, che entro il 2100, la temperatura media della Terra subirà un ulteriore incremento di circa 2 °C con tutte le inevitabili conseguenze che ciò comporta. Dopo la crisi energetica del 1973 diverse Nazioni, tra cui la vicina Francia, decisero di optare per il nucleare con il preciso intento di raggiungere l’indipenden za energetica, mentre Paesi come l’Italia, a causa di una politica ener getica inadeguata, patiscono ancora oggi un dissesto ener getico non indifferente. La tecnologia nucleare ha raggiunto livelli di af fidabilità e sicurezza elevati, ma rimane la questione, non ancora risolta, delle scorie radioattive, alcune delle quali impiegano milioni di anni per divenire innocue. È anche noto, nonostante il nucleare sia indiscutibilmente una fonte ener getica altamente produttiva, che aumentando il numero delle centrali atomiche aumenta la probabilità che si verifichino guasti, più o meno rilevanti. L’imminente crisi ener getica dovuta soprattutto all’industrializzazione di quei paesi che fino a poco tempo fa erano considerati poco “energivori” ed il lento ma inesorabile processo di inquinamento globale dovuto alla produzione di ener gia da fonti fossili hanno portato l’1 1 dicembre 1997, nella città giapponese di Kyoto, alla stipula di un trattato internazionale in materia ambientale, sottoscrit to da oltre 160 paesi, per la riduzione delle sostanze climalteranti immesse in 7 Abstract tratto da www.darioflaccovio.it - Tutti i diritti riservati atmosfera e allo sfruttamento delle principali fonti ener getiche rinnovabili quali il sole ed il vento. Il Protocollo di Kyoto impone, ai paesi aderenti, tra cui l’Italia, di ridurre per il periodo 2008-2012, le proprie emissioni di gas ad effetto serra del 5% rispetto ai dati misurati nel 1990. Il Governo italiano, con lo scopo di rispettare gli obblighi imposti dal protocollo di Kyoto, ha attuato un piano di incentivazione per favorire la realizzazione di impianti solari fotovoltaici per uso domestico, residenziale, condominiale o industriale. Un impianto fotovoltaico è un insieme di elementi in grado di produrre ener gia elettrica grazie alla tecnologia di conversione fotovoltaica della radiazione sola re incidente sulla superficie terrestre. La tecnologia fotovoltaica sfrutta le proprietà che hanno alcuni materiali a generare dei flussi elettrici quando investiti da radiazione solare. Il piano attuativo, denominato comunemente “Conto Ener gia”, consente al sog getto responsabile dell’impianto fotovoltaico di consumare l’ener gia elettrica prodotta dal sistema ed allo stesso tempo di ricevere un “premio incentivante” su tutta l’energia prodotta. I sistemi fotovoltaici, grazie al conto energia, possono essere considerati dei veri e propri investimenti finanziari, ai quali si associa un rendimento superiore ai normali tassi di redditività dei titoli di stato e una riduzione delle emissioni in atmosfera di sostanze climalteranti che causano l’ef fetto serra. Nel testo vengono discussi gli aspetti relativi alla tecnologia di conversione della radiazione solare, le metodologie di calcolo e dimensionamento dei sistemi fotovoltaici connessi in rete. Il primo capitolo è dedicato alla storia dell’ener gia solare, dall’antichità ai gior ni nostri; nel secondo capitolo vengono studiate le proprietà della radiazione solare; il terzo capitolo riguarda la fisica della conversione fotovolaica; il quarto capitolo illustra i componenti principali di un sistema fotovoltaico connesso in rete; il quinto capitolo tratta la progettazione di un impianto fotovoltaico con nesso in rete con riferimento alle soluzioni attualmente disponibili sul mercato; nel sesto capitolo vengono studiati gli aspetti economici di un impianto fotovol taico mentre nel settimo capitolo vengono illustrate le funzionalità del software di calcolo per impianti fotovoltaici Tetti FV. Concludono il testo due esempi di progettazione, uno nel livello preliminare e l’altro nel livello esecutivo, secondo la norma CEI 0-2. Realizzare un libro è un’operazione complessa e richiede parecchi controlli sulla veridicità delle informazioni trattate, l’esperienza insegna tuttavia, che pubblicare un opera priva di errori è praticamente impossibile, pertanto è gradito qualsiasi suggerimento atto a migliorare il contenuto della pubblicazione. 8 Abstract tratto da www.darioflaccovio.it - Tutti i diritti riservati CAPITOLO 1 CAPITOLO 1 CENNI DI SISMOLOGIA INTRODUZIONE E CENNI STORICI 1.1. INTRODUZIONE Questo manuale è stato concepito con l’intenzione di soddisfare le esigenze tec niche di progettisti, installatori ed operatori del settore fotovoltaico al fine di sviluppare nuovi sistemi che utilizzano economicamente le risorse della natura a beneficio dell’umanità. Il programma di apprendimento utilizzato per la stesura del testo, comprende una vasta serie di ar gomenti atti a fornire il massimo delle nozioni richieste da un equilibrato grado di approfondimento degli ar gomenti1. Si è cercata un’esposi zione scorrevole e schematica e le parti che richiedono un maggiore sforzo con cettuale (sia per la dif ficoltà, sia perché trattasi di concetti probabilmente inu suali) sono affiancate da numerose immagini, che hanno lo scopo di integrare l’esposizione teorica con un continuo richiamo pratico e visivo. La terminologia all’interno del testo e il glossario alla fine, consentono al lettore di acquisire una buona padronanza dei termini tecnico-scientifici. La conversione della radiazione solare in ener gia elettrica, mediante la tecnolo gia fotovoltaica, non genera alcun tipo di inquinamento, se si escludono le ridotte emissioni dovute alla costruzione degli elementi che costituiscono il sistema di captazione e trasformazione ed ogni kWh prodotto da fonte solare evita l’im missione in atmosfera di oltre 0,5 kg di CO 2, gas responsabile dell’effetto serra. I vantaggi principali del fotovoltaico possono essere sinteticamente esposti di seguito: • Assenza di qualsiasi tipo di emissione inquinante; • Risparmio di combustibili fossili; • Estrema affidabilità (nessuna parte in movimento); • Costi di manutenzione estremamente ridotti; • Modularità di installazione. Sebbene la fonte solare sia enormemente abbondante sul nostro pianeta ed a costo zero, essa si presenta molto diluita ed aleatoria e le ef ficienze di conver sione attuali dei dispositivi di captazione sono relativamente basse ed inducono pertanto ad un rapporto tra la superficie occupata dai captatori e la densità di potenza disponibile dagli stessi molto elevata (6-8 m 2/kW); per tali motivi è 1 “Things should be made as simple as possibile, but not any simpler” (Einstein). Abstract tratto da www.darioflaccovio.it - Tutti i diritti riservati doveroso sottolineare che tale tecnologia, allo stato dell’arte attuale, non è da considerarsi la soluzione alla crisi ener getica mondiale ma semplicemente un valido supporto alla generazione di ener gia elettrica. 1.2. CENNI STORICI 1.2.1. Il Sole degli antichi Sin dall’alba del genere umano il Sole è stato venerato con riti e manifestazioni di ogni genere. Innumerevoli testimonianze dimostrano che in ogni mitologia, ad ogni latitudine il Sole ha sempre avuto un ruolo fondamentale nel processo vita le dell’uomo; di giorno è l’occhio illuminante che sorveglia la Terra, di notte è l’immenso regno oscuro di Osiride. La forma circolare del Sole ha ispirato diverse danze rituali: gli indiani Dakota si riunivano intorno a un enorme albero che simboleggiava la vita, formando un cerchio perfetto; l’iconografia egizia rappresentava i propri dèi per mezzo di simboli come il disco solare o le ali del falco; nella mitologia greca, Elio, il dio del Sole, oltrepassava il cielo su un carro d’oro, da oriente verso occidente e la notte attraversava il fiume Oceano per ricominciare il giorno dopo. Nelle culture precolombiane, la più grande festa religiosa Inca era l’ Intip Raymi (la “danza del Sole”), in onore di Inti (Sole), il creatore degli Inca. Questi ultimi accendevano un “fuoco sacro” mediante uno specchio ustorio che catturava il potere solare; il fuoco sacro veniva dato in custodia alle “vergini del Sole” fino al successivo Intip Raymi. Questa festa è celebrata ancora oggi dai popoli andini. 1.2.2. Storia dell’effetto fotovoltaico I primi ad osservare le evoluzioni del sole furono gli astronomi cinesi, i quali nel 200 a.C. notarono ad occhio nudo delle strane macchie presenti sulla superficie solare. Nel 161 1, grazie all’invenzione del telescopio, Galileo, Scheiner , e Fabricius poterono osservare e studiare le macchie solari: cominciò in quegli anni uno studio sistematico del Sole. Nel XIX secolo gli astronomi teorizzarono che l’enorme quantità di energia emessa dal Sole provenisse da una grande massa di carbone ardente; in quel tempo, infatti, il carbone era la fonte di ener gia principale. In quegli stessi anni, l’invenzione dello spettroscopio e la nascita della spettro scopia permisero nel 1814 al fisico tedesco Joseph Von Fraunhofer (1787-1826) di formulare le basi per i primi studi teorici dell’atmosfera solare. Nel 1839, il fisico francese Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891), appena diciannovenne, presentò all’Accademia delle Scienze di Parigi una Memoria sugli effetti elettrici pr odotti sotto l’influenza dei raggi solari . Becquerel scoprì che in alcuni tipi di materiali, che successivamente vennero chiamati semicon 10 Abstract tratto da www.darioflaccovio.it - Tutti i diritti riservati duttori, l’intensità della corrente elettrica aumentava quando si esponeva l’ele mento in esame alla luce solare. Era l’inizio del fotovoltaico. Nel 1887 Heinrich Hertz , durante alcuni esperimenti, evidenziò inconsapevol mente il fenomeno fisico rilevato da Becquerel ponendo una base empirica alla teoria dei quanti e alla fisica moderna. Dopo parecchi studi teorici e sperimentali durati oltre un secolo, presso i laborato ri Bell vide la luce nel 1954 la prima cella solare commerciale; il costo proibitivo e una tecnologia ancora primordiale ne limitarono l’utilizzo ad applicazioni spa ziali; successivamente, migliorata la resistenza alle condizioni ambientali, a metà degli anni ’70 si cominciarono a studiare celle solari per applicazioni terrestri. In questi ultimi anni, gli sforzi maggiori sono dedicati a ridurre ulteriormente il costo derivante dalla lavorazione del materiale semiconduttore. Allo stato attuale, il materiale principalmente utilizzato per la realizzazione delle celle solari è il silicio cristallino, mentre sono in fase di studio materiali maggiormente promet tenti sotto il profilo economico, quali ad esempio il solfuro di cadmio (CdS), l’arsenurio di gallio (GaAs), celle ibride HIT (Heterojunction with Intrinsec Thin Layer) e il silicio amorfo. Alcune aziende stanno sviluppando celle fotovoltaiche organiche con l’obiettivo di realizzare un prodotto economico, resistente, af fidabile e producibile su scala industriale. Il progetto più recente prevede l’utilizzo di cloroplasti e proteine fotosintetiche per la produzione di una cella fotovoltaica ad alta ef ficienza (teorica 70%, prove attuali 12%) e a basso costo. Altri semiconduttori utilizzati per la conversione fotovoltaica sono il diseleniuro di rame e indio (CIS) e il tellurio di cadmio (CdT e). 11 Abstract tratto da www.darioflaccovio.it - Tutti i diritti riservati CAPITOLO 21 CENNI LA RADIAZIONE DI SISMOLOGIA SOLARE 2.1. CENNI DI GEOGRAFIA ASTRONOMICA La geografia astronomica è la scienza che studia, interpreta e descrive gli eventi celesti. Studia le origini e l’evoluzione, le proprietà chimico-fisiche e temporali degli oggetti che costituiscono l’Universo e che possono essere osservati sulla sfera celeste. 2.1.1. La Terra La Terra è il terzo pianeta in ordine di distanza dal Sole e il quinto come dimen sioni. Il moto di rotazione è quello che compie attorno al proprio asse in senso antio rario (rispetto a un osservatore posizionato al polo Nord) e che si completa in circa 24 ore. Il moto di rivoluzione è invece compiuto attorno al Sole con un’or bita ellittica e un periodo di circa 365,242 giorni (365d 06h 09’ 10”). Data l’ellitticità dell’orbita terrestre la distanza Sole-T erra non è costante nel corso del l’anno ma varia di ±1,7%; il punto di massima distanza è detto afelio e misura circa 152,1 milioni di km (7 luglio), mentre il punto di minima distanza è detto perielio e misura circa 147,1 milioni di km (6 gennaio). La linea immaginaria che congiunge il perielio con l’afelio è detta linea degli apsidi (fig. 2.1). Il piano orbitale non coincide col piano equatoriale della Terra (fig. 2.2): l’asse terrestre risulta, pertanto, inclinato di 23°27’ (23,45) rispetto alla perpendicolare condotta sul piano orbitale. Il piano orbitale viene detto eclittica. A causa dei moti e dell’inclinazione dell’asse terrestre hanno origine l’avvicen darsi delle stagioni e l’alternarsi del dì della notte. La durata del dì e della notte Figura 2.1 Schema della rotazione terrestre Abstract tratto da www.darioflaccovio.it - Tutti i diritti riservati Figura 2.2 Inclinazione dell’asse terrestre rispetto al piano eclittico varia di giorno in giorno ad eccezione di due momenti particolari in cui i raggi del Sole sono perpendicolari all’asse terrestre. Durante gli equinozi infatti, la durata del dì è uguale alla durata della notte, in ogni punto della Terra. A causa del moto di rotazione della Terra, il Sole sorge a Est e tramonta a Ovest. 2.1.2. Il Sole Il Sole, l’astro centrale del Sistema solare, è una sfera di gas ad altissima temperatura, la cui materia è tenuta unita dalla forza di attrazione gravitazionale. Gli elementi principali che compongono il Sole sono l’idrogeno (80%) e l’e lio (19%), mentre in una piccolissima parte (1%) sono stati rinvenuti quasi tutti gli elementi conosciuti. È considerato l’astro più luminoso del cielo ma, in realtà, appartiene alla sequenza principale del diagramma di HertzsprungRussell (fig. 2.3): è cioè solo una dei cento miliardi di stelle che popolano la Via Lattea. Figura 2.3 Diagramma di Hertzsprung e Russell 14 Abstract tratto da www.darioflaccovio.it - Tutti i diritti riservati Il diametro del Sole è di circa 1,392 milioni di chilometri, ben 109 volte quello terrestre. L’energia irradiata dal Sole deriva da reazioni termonucleari (fig. 2.4); la fusione nucleare consiste nella trasformazione di quattro nuclei di idrogeno in un nucleo di elio; la massa di quest’ultimo è leggermente minore della somma delle masse dei nuclei di idrogeno, la dif ferenza quindi, viene trasformata in energia. 1 Nella prima reazione due protoni si uniscono per creare un nucleo di deu terio (D) e un positrone (e+); 2 nella seconda reazione un nucleo di deuterio e un protone si uniscono per creare un nucleo dell'isotopo 3 dell'elio (3He); 2 bis la reazione (2) deve avvenire due volte perché possa aver luogo la reazio ne (3); 3 nella terza reazione due nuclei di 3He danno luogo a un nucleo dell'isoto po 4 dell'elio (4He) più due protoni che sono di nuovo disponibili per la reazione (1), donde il nome di ciclo al complesso delle reazioni p-p. Ogni secondo circa 6 · 10 11 Kg di idrogeno vengono trasformati in elio con una conseguente perdita di massa di 4000 Kg convertita, attraverso la relazione di Einstein E = mc 2, in 4 · 10 20 Joule di ener gia emessa sotto forma di radiazione elettromagnetica e corpuscolare con una lunghezza d’onda compresa tra 0,2 e 0,3 µm. Tale energia si propaga con simmetria sferica nello spazio, raggiungendo la fascia più esterna dell’atmosfera terrestre con un’intensità incidente per unità di tempo su una superficie unitaria, pari a 1367 W/m2 (costante solare). La distan za media tra il Sole e la Terra, misurata come parallasse solare, è di circa 149,5 milioni di chilometri pari, per definizione, a una Unità Astronomica (U.A.). Come già trattato al paragrafo 2.1.1, a causa dell’ellitticità dell’orbita terrestre la Figura 2.4 Le reazioni del ciclo protone-protone 15 Abstract tratto da www.darioflaccovio.it - Tutti i diritti riservati distanza Sole-Terra non è costante nel corso dell’anno ma varia di ±1,7%, così come varia del ±3,3%, per la stessa ragione, il valore della costante solare. Il Sole è animato da un moto di rotazione attorno al proprio asse con un’inclina zione sull’eclittica di circa 83 ° e da un moto di traslazione nello spazio di circa 19,5 km/s verso un punto imprecisato della costellazione di Ercole. L’atmosfera del Sole è composta sostanzialmente da tre strati: la fotosfera, la cromosfera e la corona. La fotosfera costituisce la superficie luminosa che circonda il Sole e delimita sfericamente il globo espandendosi per qualche centinaio di chilometri. Al di sopra della fotosfera, la cromosfera si estende per qualche migliaio di chilometri ed è composta prevalentemente da idrogeno a pressione relativamente bassa con una temperatura inferiore a quella della fotosfera; nella cromosfera si osservano le protuberanze, getti di gas incandescente di colore rosso-violaceo. La corona solare è lo strato superiore dell’atmosfera solare e costituisce la zona di transizione fra il Sole e lo spazio interplanetario; si estende al di sopra della cromosfera fino a raggiungere la Terra ed è composta da materia solare a bassissima densità e ad elevata temperatura, è caratterizzata da un colore bianco latteo, visibile durante le eclissi totali o con particolari strumenti. 2.1.3. Le interazioni tra la Terra e il Sole Il Sole esercita la propria attrazione gravitazionale sulla Terra mantenendola in orbita ellittica e consentendone la dif fusione della vita attraverso i comuni pro cessi chimico-fisici. L’alternarsi delle stagioni, del dì e della notte sono eventi ciclici dovuti all’inte razione tra la Terra e il Sole. Il moto di rivoluzione del nostro pianeta attorno al Sole unitamente all’inclinazione sull’eclittica dell’asse terrestre danno origine al susseguirsi delle stagioni mentre l’alternarsi del dì e della notte è dovuto al moto di rotazione della Terra attorno al proprio asse. Durante il moto di rivoluzione della Terra attorno al Sole esistono quattro punti fondamentali che segnano il principio di ciascuna stagione (fig. 2.5): – l’equinozio di primavera (21 marzo) segna l’inizio della primavera nell’emi sfero boreale e dell’autunno in quello australe; – l’equinozio d’autunno (23 settembre) segna l’inizio dell’autunno nell’emisfe ro boreale e della primavera in quello australe; Durante gli equinozi la durata del dì (luce) è uguale a quella della notte (buio). – Il solstizio d’estate (21 giugno) segna l’inizio dell’estate nell’emisfero borea le e dell’inverno in quello australe. In tale periodo la durata del dì raggiunge il valore massimo nell’emisfero boreale e il valore minimo in quello australe; – il solstizio d’inverno (22 dicembre) segna l’inizio dell’inverno nell’emisfero boreale e l’estate in quello australe. In tale periodo la durata del dì raggiunge il valore massimo nell’emisfero australe e il valore minimo in quello boreale. 16 Abstract tratto da www.darioflaccovio.it - Tutti i diritti riservati Figura 2.5 Susseguirsi delle stagioni Come è facile intuire dalla fig. 2.5 la massima distanza Terra-Sole si ha durante i solstizi mentre, la minima durante gli equinozi. 2.1.4. Cenni sul magnetismo terrestre In sintesi, il magnetismo è la proprietà, naturale o indotta, che hanno alcuni materiali ferrosi ( magneti) di attrarre materiali simili (fig. 2.6). Tale concetto sarà applicato al rilevamento, mediante bussola magnetica, dei punti cardinali, essenziali per il corretto posizionamento della superficie captante. Figura 2.6 Rappresentazione schematica di un campo magnetico La Terra è assimilabile a un grande magnete avente i poli prossimi a quelli geo grafici e le linee di forza congiungenti i poli magnetici come mostrato in fig. 2.7. Le linee di forza congiungenti i poli magnetici si possono immaginare come infinite linee magnetiche. Per un punto individuato sulla superficie terrestre passeranno quindi: – una linea che congiunge i poli geografici, che indica la direzione del Nord geografico o vero (Nv) e che prende il nome di meridiano geografico; – una linea magnetica, che indica la direzione del Nord magnetico (Nm) che prende il nome di meridiano magnetico. L’angolo formato tra la direzione del Nv con la direzione del Nm si chiama declina17 Abstract tratto da www.darioflaccovio.it - Tutti i diritti riservati Figura 2.7 Rappresentazione schematica del campo magnetico terrestre zione magnetica d e varia in funzione del punto di rilevamento e del tempo (fig. 2.8). La declinazione si indica negativa quando il Nm è ad Ovest rispetto al Nv e positiva quando il Nm è ad Est rispetto al Nv. Figura 2.8 Rappresentazione schematica della declinazione magnetica d Il valore della declinazione magnetica è riportato sul mar gine destro delle carte topografiche dell’ Istituto Geografico Militare ( IGM) o in qualsiasi carta nautica, insieme alla data in cui è stata rilevata. Non calcolando eventuali deviazioni magnetiche dovute a eventuali masse ferrose e/o apparecchiature elettroniche ubicate nelle immediate vicinanze dello strumento, il valore letto dalla bussola Nb (Nord bussola) è uguale al valore del Nm (Nord magnetico). per = 0 Nb = Nm Si ipotizzi allora di voler calcolare la declinazione magnetica dell’isola di Filicudi. Mediante una carta nautica relativa alla zona in esame si rileva il valo re della declinazione magnetica e il periodo in cui è stata rilevata: Decl 2° 00’ E 1999 (7’ E) 18 Abstract tratto da www.darioflaccovio.it - Tutti i diritti riservati Il valore della declinazione magnetica nella zona intorno all’isola di Filicudi è di 2° E, rilevata nel 1999 e aumenta annualmente di 7’ E, quindi oggi, nel 2006, il valore della declinazione magnetica vale 2 ° 49’ E. Ciò significa che il valore letto dalla bussola magnetica ( Nb) deve essere corretto mediante la seguente relazione: Nv = Nb + (±d) Quindi, per posizionare esattamente a Sud una determinata superficie nell’isola di Filicudi occorre rilevare, mediante bussola magnetica, il valore angolare di 182° 49’. Esistono in commercio anche bussole amagnetiche, caratterizzate dalla capacità di mantenere inalterato l’orientamento del proprio asse, quando sottoposto a campo magnetico. Tuttavia tali bussole, a causa del costo elevato, possono non essere indicate per l’utilizzo in campo. 2.1.5. L’irraggiamento extratmosferico e la costante solar e Una superficie unitaria posta al di fuori dell’atmosfera terrestre e inclinata per pendicolarmente rispetto alla radiazione solare, riceve mediamente una densità di potenza pari al valore della costante solare Ics. In base a recenti misurazioni, Ics vale 1367 W/m2, corrispondente a un flusso di ener gia orario di 4,921 MJ/m 2. In realtà, come già trattato nel par. 2.1.2, la distanza Terra-Sole non è costante nel corso dell’anno ma varia di ±1,7% facendo oscillare di conseguenza il valore della costante solare Ics di ±3,3% (fig. 2.9). L’intensità dell’irraggiamento extratmosferico Io(t) per una superficie unitaria e perpendicolare rispetto alla radiazione solare, espressa in W/m2, viene calcolata come segue, in funzione della costante solare Ics: Io(t) = Ics [1 + 0,033 cos (360 n / 365)] in cui n indica il giorno dell’anno considerato (compreso tra 1 e 365). Figura 2.9 Rappresentazione schematica della distanza Terra-Sole 19 Abstract tratto da www.darioflaccovio.it - Tutti i diritti riservati Figura 2.10 Irraggiamento extratmosferico I0(t) nel corso dell’anno Come si intuisce dalla fig. 2.10, Io(t) raggiunge il valore massimo di 1412 W/m2 il primo gennaio e quello minimo di 1322 W/m2 il primo luglio. Analogamente, tenendo conto del legame tra l’angolo orario w e il tempo [dh = (–2 /24) dt], l’irraggiamento solare extratmosferico Hho incidente su una super ficie orizzontale nell’arco di un giorno, espresso in Wh/m2, risulta pari a: Hho = (24 / ) Ics [1 + 0,033 cos (360 n / 365)] (cos cos sen in cui il valore dell’angolo orario a, a + a sen sen ) nell’ultimo termine, va espresso in radianti. 2.1.6. Lo spettro solare Come già accennato nel par. 2.1.2, il Sole è una stella nana della sequenza prin cipale del diagramma di Hertzsprung e Russell. Lo spettro solare è di tipo G2 (classe di luminosità V) ed è suddiviso convenzionalmente in una successione di bande. La relazione che lega la lunghezza d’onda alla frequenza è la seguente: =c/f in cui c è la velocità della luce, pari a 3 · 10 8 m/s. La suddivisione in bande dello spettro solare è la seguente: – ultravioletto (0,1 µm < ² 0,38 µm): radiazione con alto potere ener getico. Questa tipologia di radiazione rappresenta una piccolissima percentuale dello spettro solare e viene quasi interamente intercettata dall’ossigeno e dall’ozo no nella parte più alta dell’atmosfera; – visibile (0,38 µm < ² 0,78 µm): radiazione visibile all’occhio umano. Questa tipologia di radiazione è formata da tutti i colori familiari, dal violetto al rosso, e rappresenta il 46% del totale della radiazione solare; 20 Abstract tratto da www.darioflaccovio.it - Tutti i diritti riservati – infrarosso (0,78 µm < ² 1 µm): radiazione rilevata in forma di calore e rappresenta il 49% della radiazione emessa. 2.1.7. Il rilevamento degli astri nella volta celeste Per individuare la posizione di un astro, nel caso in esame del Sole, occorre riferirsi alle coordinate celesti. La volta celeste rappresenta la parte visibile di un’immaginaria sfera celeste che ha per centro il centro della Terra e sulla quale ven gono proiettati tutti gli astri (fig. 2.1 1). Figura 2.11 Rappresentazione schematica della sfera celeste Il percorso del Sole sulla volta celeste assume la forma di un arco variabile nel corso dell’anno e in funzione del punto d’osservazione. Per determinare la posi zione del Sole o di un astro in generale, rispetto ad un punto fisso sulla Terra, occorrono due coordinate particolari: l’altezza dell’astro sull’orizzonte e la rela tiva direzione rispetto ai punti cardinali (fig. 2.12). La prima è l’angolo verticale formato tra la visuale diretta all’astro e quella diretta all’orizzonte; la seconda è l’angolo orizzontale formato tra la visuale diretta all’a stro e quella in direzione del Sud, ed è positiva verso Est e negativa verso Ovest. Per rilevare la posizione di un astro in un determinato istante dell’anno da un punto ben definito della Terra occorre però definire alcuni parametri caratteristici e fondamentali. Come già trattato in precedenza, la Terra ruota attorno al proprio asse passante per due punti, detti poli geografici Nord e Sud. Si ipotizzi di costruire un sistema di riferimento terrestre, basato su coordinate sferiche ortogonali che avvolga la Terra in un enorme reticolo passante longitu dinalmente per i poli in maniera da ottenere tanti “spicchi di Terra” uguali come mostrato in fig. 2.13. 21 Abstract tratto da www.darioflaccovio.it - Tutti i diritti riservati Figura 2.12 Rappresentazione schematica per determinare la posizione del Sole Figura 2.13 Costruzione del sistema di riferimento terrestre Si definisce equatore il cerchio massimo che divide la Terra in due emisferi: emisfero Nord (boreale) contenente la calotta polare artica ed emisfero Sud (austra le) contenente la calotta polare antartica (fig. 2.14). Il semicerchio che unisce i poli, passante per l’osservatorio di Greenwich, è il meridiano di Greenwich (fig. 2.15); l’altra metà di semicerchio è l’ antimeridiano di Greenwich; il cerchio fondamentale che racchiude il meridiano e l’antime22 Abstract tratto da www.darioflaccovio.it - Tutti i diritti riservati Figura 2.14 Rappresentazione dell’equatore ridiano di Greenwich divide in due emisferi la Terra: emisfero Est (orientale) ed emisfero Ovest (occidentale). L’origine del sistema di riferimento è dato dall’intersezione tra l’equatore e il meridiano di Greenwich. Gli infiniti cerchi paralleli all’equatore sono chiamati paralleli mentre gli infiniti semicerchi passanti dai poli sono chiamati meridiani (fig. 2.13). È possibile adesso definire le due fondamentali coordinate geografiche sferiche. La latitudine di un punto è la misura angolare dell’arco di meridiano compre- Figura 2.15 Rappresentazione del meridiano di Greenwich (passante per l’osservatorio di Greenwich) 23 Abstract tratto da www.darioflaccovio.it - Tutti i diritti riservati Figura 2.16 Rappresentazione schematica della latitudine di un punto so tra l’equatore e il parallelo passante per il punto; si misura da 0 ° a +90° verso N e da 0° a –90° verso S, fino ai poli (fig. 2.16). La longitudine di un punto è la misura angolare dell’arco di equatore o di parallelo compreso tra il meridiano di Greenwich e il meridiano passante per il punto; si misura da 0° a +180° verso E e da 0° a –180° verso O, fino all’antimeridiano di Greenwich (fig. 2.17). Figura 2.17 Rappresentazione schematica della longitudine di un punto In tal modo ogni punto della Terra è individuato da una coppia di coordinate e . L’origine del sistema di riferimento ha coordinate = = 000° 00’ 00”. Individuato, quindi, il punto di osservazione sulla Terra occorre adesso stabilire il periodo di osservazione; per fare ciò vengono definite due coordinate orarie locali: l’angolo di declinazione solare che dipende dal mese e dal giorno in cui si effettua l’osservazione e l’angolo orario che dipende dall’ora in cui si effettua l’osservazione. 24
