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Misura irraggiamento solare: solarimetri e piranometri

La superficie del Sole, chiamata fotosfera, si trova ad una temperatura di circa 6000K e il suo comportamento approssima quello di un “corpo nero”. Grazie a questa considerazione, è possibile calcolare la potenza totale emessa dal Sole: essa è approssimativamente uguale a 9.5 x 10^25 W.

La potenza totale emessa dal Sole non è composta da una singola lunghezza d'onda, ma è composta di molte lunghezze d'onda.
Inoltre, non tutta la radiazione emessa dal Sole arriva sulla Terra.

L'energia media irradiata dal Sole nell'unità di tempo su di una superficie normale posta al di fuori dell'atmosfera terrestre, si chiama costante solare e il suo valore medio è di circa Ics=1353 W/m^2.
Comunque la presenza dell'atmosfera ha diversi effetti sulla radiazione che arriva sulla superficie terrestre.

La radiazione penetrando nell'atmosfera sperimenta una riduzione di potenza dovuta ad assorbimento, scattering e riflessione nell'atmosfera. Il contenuto spettrale della radiazione solare cambia anche a causa del maggior assorbimento o scattering subito dalle grandi lunghezze d'onda. Per finire ci sono componenti alla radiazione di tipo diffuso e indiretto.

Il risultato di tutto ciò è che la radiazione totale che arriva sulla superficie della Terra, possiede una minor potenza: approssimativamente intorno a 1000W/m^2, e una diversa distribuzione spettrale.

La producibilità di una cella solare dipende da diversi fattori.
Prima di tutto, una cella solare non risponde in maniera costante a tutte le frequenze della radiazione incidente. L'efficienza di una cella al silicio è massima in corrispondenza dell'intervallo di frequenze della luce visibile.

In secondo luogo, la producibilità di una cella solare, e di conseguenza di un sistema fotovoltaico, dipende dalla radiazione incidente sulla sua superficie.

C'è un altro effetto che influenza le prestazioni di un sistema fotovoltaico: la temperatura. Come tutti gli altri strumenti a semiconduttore, le celle solari sono sensibili alla temperatura. Un aumento della temperatura riduce la “band gap” di un semiconduttore, influenzando quindi la maggior parte dei parametri dei semiconduttori. Valori alti della temperatura causano una riduzione nella produzione energetica di un sistema fotovoltaico.

Poiché la producibilità energetica (ed economica) di un impianto fotovoltaico è una funzione prevedibile di questi fattori, una sua diminuzione nella produzione di energia, fuori da quanto prevedibile da questa funzione, deve essere interpretata come sinonimo di anomalia o guasto, per il quale è necessario prendere provvedimenti.

Allora, per conoscere in un dato istante quanta energia dovrebbe produrre un impianto fotovoltaico, bisogna conoscere quanta energia sta giungendo sulla superficie dei moduli fotovoltaici in quell'istante. Meglio, sarebbe conoscere quanta radiazione solare utile (lunghezze d'onda che atiivano il processo fotovoltaico nelle celle di silicio sono 300 nm – 1100nm) giunge sui moduli fotovoltaici, così da sapere quanta energia dovrebbe produrre un impianto FV in ogni momento della giornata.

I sensori di irraggiamento solare sono in grado di rilevare quanta radiazione solare giunge sul sito ove essi sono installati.

Ve ne sono essenzialmente di 2 tipi:

SOLARIMETRO

Un solarimetro è uno strumento usato per la misurazione del flusso della radiazione solare. Esso usa l'effetto fotovoltaico per misurare la quantità di irraggiamento solare che colpisce una data superficie.
Un solarimetro che utilizzi l'effetto fotovoltaico ha lo stesso comportamento di un sistema fotovoltaico: produce un segnale elettrico in funzione della luce incidente, risponde in special modo alla luce visibile e la sua risposta dipende anche dalla temperatura della cella.
Più in particolare un solarimetro con cella al silicio è in grado di captare le onde luminose con uno spettro compreso approssimativamente da 330nm a 1100nm
Al fine di ottenere una misura scevra dall'effetto temperatura, i valori misurati da un solarimetro che utilizzi l'effetto fotovoltaico devono essere corretti in base alla temperatura della cella fotovoltaica. Questa misura può essere fatta grazie ad una termocoppia, mentre la correzione deve avere dei livelli di precisione non facili da raggiungere.

PIRANOMETRO

I piranometri sono strumenti che servono a misurare la radiazione globale su di una superficie (radiazione diretta e diffusa). Il principio di funzionamento è generalmente basato sulla misura di una differenza di temperatura tra una superficie chiara ed una scura. Una superficie scura può assorbire la maggior parte della radiazione solare, mentre una superficie chiara tende a riflettere, assorbendo una minor quantità di calore. Questa differenza di temperatura viene misurata utilizzando una termopila. La differenza di potenziale che si genera nella termopila a causa del gradiente di temperatura tra le due superfici, permette di misurare il valore della radiazione solare globale incidente.
Una termopila è composta da termocoppie generalmente connesse in serie. Una TERMOCOPPIA è una giunzione tra due differenti metalli utilizzata per misurare la differenza di temperatura tra due punti. Una termocoppia produce un potenziale che dipende dal gradiente di temperatura.
La risposta di un piranometro di questo tipo può coprire tutto il range di lunghezze d'onda dello spettro solare: approssimativamente da 300nm a 2800nm
È da notare che poiché l'intervallo spettrale rilevabile con un piranometro è più ampio rispetto a quello che può essere misurato da un solarimetro con cella al silicio, utilizzare un piranometro per testare il corretto funzionamento e le prestazioni di un impianto fotovoltaico potrebbe portare a credere che in talune condizioni ambientali l'impianto non funzioni correttamente. Con l'utilizzo di un solarimetro con cella in silicio invece i valori dati sono sincronizzati all'impianto, visto che la porzione spettrale utile per il funzionamento di un impianto fotovoltaico è la stessa di quella misurata con un solarimetro. Inoltre, la risposta di un piranometro è molto più lenta (dell'ordine delle decine dei secondi come si può vedere dall'immagine qui a fianco) di quella di un solarimetro a cella di silicio (dalle frazioni di secondo al secondo).

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