I Vari Tipi Di Solarimetri Per La Misura Della Potenza
La radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre può essere misurata con appositi strumenti chiamati, in modo generico, solarimetri. Questa radiazione, detta anche irradianza solare, è la potenza per unità di superficie (espressa in W/m²) trasportata dal Sole, comprendente la componente diretta, la componente diffusa e quella riflessa. Per analizzarla in dettaglio e in modo affidabile, è necessario utilizzare strumenti differenti, ognuno dei quali è specializzato nel rilevare una specifica componente.
Il piranometro è forse lo strumento più diffuso e serve a misurare la radiazione globale incidente su un piano orizzontale. Questo tipo di misura è fondamentale per l’analisi delle prestazioni di impianti fotovoltaici fissi, poiché raccoglie sia la componente diretta che quella diffusa.
Per isolare la componente riflessa si utilizza l’albedometro, uno strumento formato da due piranometri contrapposti: uno guarda verso l’alto, l’altro verso il basso. Il primo rileva la radiazione globale incidente, mentre il secondo misura quella riflessa dalla superficie terrestre o da altri elementi presenti (neve, sabbia, superfici bianche, ecc.). Questa misura è utile soprattutto in ambito meteorologico e climatologico, ma trova applicazioni anche nel dimensionamento energetico degli edifici.
Per concentrare l’attenzione sulla sola componente diffusa, si può utilizzare un piranometro con banda ombreggiante. La banda impedisce alla radiazione solare diretta di raggiungere il sensore, lasciando passare solo quella dispersa nell’atmosfera, ossia la radiazione diffusa.
Infine, per la misura della componente diretta, si impiega il piroeliometro, un sensore dotato di un tubo lungo e stretto, sempre puntato in direzione del Sole grazie a un sistema di inseguimento solare automatico. Questo sistema è indispensabile perché la radiazione diretta può essere rilevata solo se il sensore è perfettamente orientato verso l’astro.
Oltre alla classificazione in base alla componente di radiazione misurata, i solarimetri si distinguono anche per il principio fisico che ne consente il funzionamento. Le due tecnologie principali sono:
Solarimetri a termopila, che sfruttano l’effetto termoelettrico generato da una termocoppia verniciata di nero. Questa tipologia è estremamente precisa, ma anche più costosa.
Solarimetri fotovoltaici, che impiegano una piccola cella solare per convertire la luce in corrente. Sono più economici e compatti, ma meno accurati rispetto a quelli a termopila, soprattutto quando si lavora fuori dalle condizioni standard.
Negli ultimi anni, si sono sviluppati anche strumenti ibridi e intelligenti, integrabili in sistemi IoT, con connessioni wireless e registrazione dati su cloud. Questi dispositivi trovano applicazione nei moderni impianti solari intelligenti, dove è necessario monitorare in tempo reale le condizioni ambientali e ottimizzare la produzione energetica.
La Misura Della Radiazione Globale: Il Piranometro
Il piranometro è uno strumento fondamentale per chi desidera conoscere la radiazione solare globale che colpisce un piano orizzontale, elemento chiave nel dimensionamento di un impianto fotovoltaico tradizionale. Esso rileva la densità di potenza della radiazione (in W/m²) entro un angolo di visione di 180°, coprendo quindi l’intera semisfera celeste sopra lo strumento.
Il cuore del piranometro è rappresentato da una termocoppia verniciata di nero, sensibile a un ampio spettro di radiazione, da circa 300 a 2800 nanometri, che corrisponde alla quasi totalità dello spettro solare visibile e parte dell’infrarosso. Per evitare distorsioni, la cupola in vetro (o doppia cupola nei modelli più precisi) ha il compito di filtrare le lunghezze d’onda superiori e proteggere il sensore da effetti convettivi e contaminazioni ambientali.
Un elemento chiave del piranometro è la sua risposta angolare. L’efficienza con cui misura la radiazione varia in funzione dell’angolo d’incidenza dei raggi solari: essa è massima quando il Sole è allo zenit, ossia in posizione perpendicolare rispetto al piano orizzontale dello strumento, e decresce via via che l’angolo si riduce. Ad esempio, con il Sole a 60° dall’orizzonte, il valore misurato è circa la metà della potenza massima teorica.
La lettura effettuata da un piranometro non necessita di alimentazione elettrica: la differenza di potenziale generata dalla termocoppia è direttamente proporzionale all’intensità della radiazione solare. Tuttavia, per registrare e analizzare i dati nel tempo, si usa un data logger, che può essere integrato in centraline meteo, impianti solari o sistemi di monitoraggio.
Nel contesto delle normative tecniche, i piranometri devono rispettare le classificazioni definite dalla norma ISO 9060:2018, che distingue gli strumenti in base alla loro precisione in tre categorie: Classe A (alta precisione), Classe B (standard) e Classe C (base). Per applicazioni professionali o ricerca, è consigliato l’uso di dispositivi di Classe A o B.
La Misura Dell’Irradianza Diretta: Il Piroeliometro
A differenza del piranometro, il piroeliometro è uno strumento dedicato alla sola componente diretta della radiazione solare, quella che proviene in linea retta dal disco solare, senza essere riflessa o diffusa. Questa misura è particolarmente importante per applicazioni dove si fa uso di concentratori solari o impianti fotovoltaici a inseguimento.
Il piroeliometro è composto da un tubo opaco e stretto, al cui interno si trova la termocoppia che funge da sensore. La sezione frontale è dotata di una lente o apertura circolare che permette solo alla luce proveniente da una direzione ben precisa (quella del Sole) di raggiungere il sensore. Un sistema di inseguimento solare motorizzato mantiene costantemente l’asse dello strumento allineato con il Sole durante l’intera giornata.
La tensione generata dalla termocoppia viene convertita, tramite appositi algoritmi di calibrazione, in una misura espressa in W/m². La precisione di questo strumento dipende dalla qualità dell’ottica, dall’accuratezza dell’inseguimento e dalla sensibilità del sensore.
Un’applicazione interessante del piroeliometro è nella determinazione indiretta della radiazione diffusa. Se si pone una banda ombreggiante (un disco che blocca la radiazione diretta) davanti al sensore, si può ottenere la misura della sola componente diffusa. Sommando i due valori si può ricostruire la radiazione globale sulla direzione solare, utile nei sistemi solari a concentrazione, dove la massima efficienza si ha solo con radiazione diretta elevata.
Nel contesto odierno, con l’aumento dell’uso di impianti CSP (Concentrated Solar Power) in regioni ad alta insolazione diretta (come Africa settentrionale, Medio Oriente e sud della Spagna), la misura della DNI (Direct Normal Irradiance) tramite piroeliometro diventa strategica anche per lo sviluppo di reti energetiche ibride.
Le Varie Componenti Dell’Irradianza Solare Sulla Terra
Comprendere la natura composita della radiazione solare è fondamentale per progettare correttamente qualsiasi impianto energetico basato sul Sole. La radiazione solare totale che raggiunge la superficie terrestre è data dalla somma di tre contributi: la componente diretta, la componente diffusa e quella riflessa.
La componente diretta è quella che arriva in linea retta dal Sole, senza subire deviazioni o dispersioni. È la più intensa e sfruttabile nelle ore centrali della giornata, specie in assenza di nuvolosità. Essa rappresenta la quota energetica più concentrata, ma anche la più sensibile alle condizioni meteorologiche.
La componente diffusa deriva dall’interazione dei raggi solari con le molecole atmosferiche, le particelle di polvere, i gas e le nuvole. Viene irradiata in tutte le direzioni e raggiunge le superfici anche in condizioni di cielo coperto. I pannelli fotovoltaici piani possono sfruttarla efficacemente, anche se la potenza risulta inferiore rispetto alla radiazione diretta. La percentuale di radiazione diffusa può variare dal 10% al 90% della radiazione globale in base alle condizioni atmosferiche.
La componente riflessa, infine, è quella parte di radiazione che viene riflessa dalle superfici terrestri verso il sensore o il pannello. Ha importanza minore in contesti urbani ma può essere significativa in ambienti ad alta riflettanza, come campi innevati, deserti sabbiosi o superfici bianche. L’albedo del suolo, cioè la sua capacità di riflettere la luce, gioca qui un ruolo decisivo.
Dal punto di vista dell’ingegneria solare, la conoscenza della composizione percentuale di queste tre componenti in un determinato sito consente di ottimizzare l’orientamento e l’inclinazione dei pannelli e di valutare se installare impianti a inseguimento o soluzioni più semplici e fisse.
Come Varia Nel Tempo La Potenza Solare Al Suolo
La radiazione solare al suolo non è costante. Essa varia durante il giorno, durante l’anno e in base alla posizione geografica. Questo è dovuto a diversi fattori, tra cui l’inclinazione dell’asse terrestre, la rotazione della Terra, la latitudine e le condizioni atmosferiche locali.
Il valore massimo teorico di potenza solare che può raggiungere una superficie orizzontale sulla Terra è di circa 1000 W/m², ma si tratta di un valore idealizzato, raggiungibile solo in condizioni eccezionali, con il Sole perfettamente allo zenit e atmosfera completamente limpida. Più realisticamente, anche in giornate serene, i valori di picco nelle ore centrali sono compresi tra 850 e 950 W/m².
Per esempio, alla latitudine di Roma (42°N), nel solstizio d’estate, il Sole raggiunge un’altezza di 71,5° sopra l’orizzonte a mezzogiorno, garantendo così una potenza solare elevata. In inverno, invece, l’altezza massima si riduce a 24,5°, con conseguente riduzione della potenza solare al suolo, che può scendere anche sotto i 400 W/m² in condizioni atmosferiche favorevoli.
Va inoltre considerato che la costante solare, ossia la potenza per unità di superficie disponibile fuori dall’atmosfera, ha un valore di circa 1361 W/m². Tuttavia, solo una frazione di questa energia raggiunge effettivamente il suolo, a causa dell’assorbimento da parte dell’ozono, del vapore acqueo, della CO₂ e delle polveri presenti nell’atmosfera.
Negli ultimi anni, anche l’inquinamento atmosferico ha un impatto crescente sull’irradianza solare. Studi condotti in aree metropolitane ad alta densità mostrano un calo del 10-20% della radiazione solare diretta rispetto a zone rurali circostanti, per effetto della foschia urbana.
Questi aspetti rendono necessario, oggi più che mai, l’uso di strumentazione di precisione e di dati di monitoraggio a lungo termine per la progettazione accurata degli impianti solari, sia in ambito domestico che industriale.
