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La misura della radiazione solare

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

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La misura della radiazione solare La misura della radiazione solare Presentation Transcript

  • 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”
  • 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
  • Sommario - 2 ● 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
  • 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%.
  • 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)
  • 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
  • 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 ° −
  • 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'
  • 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
  • La radiazione solare extra-atmosferica Calcolo dell'angolo di Declinazione del Sole  284 N =23,45 ° sin 360 ° 365 
  • 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
  • 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 
  • La radiazione solare extra-atmosferica Energia Giornaliera per m2 Extra-atmosferica, calcolata su un piano normale e su una superficie orizzontale (1Mj=0,28kWh)
  • La radiazione solare a terra
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • Gli strumenti di misura La misura della radiazione La risposta spettrale del piranometro
  • 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°
  • 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')
  • Gli strumenti di misura La risposta spettrale del pireliometro La misura della radiazione
  • La campagna di misura
  • La campagna di misura
  • 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
  • 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%
  • 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.
  • L'analisi delle misure
  • L'analisi delle misure
  • L'analisi delle misure
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • 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
  • 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.
  • L'analisi delle misure
  • Grazie per l'attenzione
  • Bibliografia ● ● ● ● ● 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