Qual È La Potenza O Irradianza Solare In kW/mq?

1) Quanta Energia Arriva Dal Sole Sulla Terra?

Il Sole, come ben noto, è una sorgente praticamente inesauribile di energia. Emette nello spazio circostante una potenza straordinaria, stimata in circa 3,9 × 10²⁶ watt, distribuita su tutte le lunghezze d’onda dello spettro elettromagnetico solare, che si estende prevalentemente nella banda compresa tra 0,2 e 3 micrometri. Si tratta di un’energia colossale: per dare un ordine di grandezza, ogni metro quadrato della superficie solare emette oltre 60.000 kW.

Ma solo una piccolissima frazione di questa immensa energia raggiunge la Terra. A una distanza media di circa 149,6 milioni di chilometri, la radiazione solare viene “diluita” su una superficie sferica immaginaria che ha per raggio la distanza Sole-Terra. Il valore dell’irradianza solare – cioè la potenza per unità di superficie – che colpisce un metro quadrato posto fuori dall’atmosfera terrestre e perpendicolare ai raggi solari, è pari a circa 1.367 W/mq. Questo valore è noto come costante solare.

Tuttavia, l’energia che effettivamente raggiunge la superficie terrestre è inferiore, a causa dei fenomeni di riflessione, diffusione e assorbimento che avvengono all’interno dell’atmosfera. L’atmosfera filtra parte della radiazione, restituendone al suolo valori che raramente superano i 1000 W/mq nelle migliori condizioni possibili. Questo valore è comunque utile come riferimento per calcoli e dimensionamenti energetici.

È importante distinguere tra irradianza ed irraggiamento: la prima è una potenza istantanea (in W/mq), mentre il secondo rappresenta l’energia cumulata nel tempo (in kWh/mq). Per esempio, in un giorno d’estate soleggiato, una superficie può ricevere anche 6-7 kWh/mq di irraggiamento. Su base annua, i valori variano in modo sensibile: da circa 1.300 kWh/mq a Torino fino a 1.600 kWh/mq a Catania.

Questa differenza geografica incide direttamente sulla produzione di energia da impianti fotovoltaici, motivo per cui le regioni del Sud Italia hanno rendimenti annuali superiori rispetto a quelle settentrionali, a parità di impianto.

 

2) L’Intensità Della Radiazione Solare Al Suolo: Dinamiche E Fattori Chiave

Quando la radiazione solare attraversa l’atmosfera e giunge al suolo, subisce ulteriori modificazioni. Uno dei fattori più importanti è l’angolo di incidenza dei raggi solari rispetto alla superficie ricevente.

Un angolo maggiore (cioè quando il Sole è alto nel cielo) comporta un percorso atmosferico più corto e dunque una minore attenuazione. Al contrario, un angolo basso – come avviene la mattina presto, la sera o nei mesi invernali – comporta un maggiore spessore atmosferico attraversato dalla radiazione, e quindi una minore potenza incidente.

A mezzogiorno solare, quando il Sole si trova nel punto più alto del cielo, si possono raggiungere i valori massimi di irradianza, ovvero prossimi a 1000 W/mq in condizioni ideali. Tuttavia, questo valore non è costante durante la giornata: varia in funzione dell’ora, della stagione, della latitudine, delle condizioni meteorologiche e della composizione atmosferica locale (presenza di polveri, aerosol, umidità, ecc.).

Un altro fattore importante è l’inclinazione e l’orientamento della superficie ricevente. Una superficie perpendicolare ai raggi solari riceve il massimo della potenza disponibile, mentre una superficie inclinata riceve solo una componente proiettata. È per questo che nei sistemi fotovoltaici si ottimizzano inclinazione e orientamento dei pannelli per massimizzare la radiazione solare incidente nell’arco dell’anno.

Contrariamente a quanto si potrebbe pensare, la Terra è più vicina al Sole in inverno (circa il 3 gennaio), ma la potenza incidente al suolo è minore a causa dell’angolo di incidenza sfavorevole dei raggi solari. Questo fenomeno evidenzia l’importanza dell’altezza solare sull’orizzonte, molto più determinante rispetto alla semplice distanza Sole-Terra.

 

3) Le Tre Componenti Della Radiazione Solare Al Suolo

L’energia solare che raggiunge una superficie sulla Terra non proviene unicamente in linea retta dal Sole, ma può essere scomposta in tre componenti principali:

• La radiazione diretta, che proviene senza deviazioni direttamente dal disco solare;
• La radiazione diffusa, che ha subito deviazioni e riflessioni da parte delle molecole e delle particelle sospese nell’atmosfera (nuvole, polveri, aerosol);
• La radiazione riflessa, che è stata riflessa da superfici circostanti come il suolo, l’acqua o edifici.

La radiazione globale incidente, che è quella effettivamente utilizzabile da un collettore solare, è la somma di queste tre componenti:

I_tot = I_dir + I_diff + R

Queste componenti variano notevolmente in base alle condizioni atmosferiche. In una giornata nuvolosa, la radiazione diretta può essere praticamente assente, mentre la componente diffusa diventa predominante. In condizioni di cielo sereno e aria secca, invece, la radiazione diretta può costituire oltre il 90% della radiazione totale.

Dal punto di vista applicativo, è importante sapere che i pannelli fotovoltaici piani riescono a sfruttare sia la componente diretta che diffusa, mentre i sistemi solari a concentrazione (come i collettori parabolici o le torri solari) possono funzionare solo in presenza di radiazione diretta.

La componente riflessa ha un’influenza più limitata, ma può comunque contribuire alla radiazione globale ricevuta da superfici inclinate, soprattutto se queste si trovano in ambienti con elevata albedo (ad esempio zone innevate o desertiche).

 

4) Le Variazioni Giorno-Per-Giorno Dell’Irradianza Solare Al Suolo

La radiazione solare disponibile su una superficie al suolo non è costante nel corso dell’anno, e varia sensibilmente di giorno in giorno. Ciò è dovuto a:

• Cambiamenti stagionali: per via dell’inclinazione dell’asse terrestre, l’altezza del Sole cambia durante l’anno. A Roma (latitudine 42°N), per esempio, al solstizio d’estate il Sole raggiunge un’altezza massima di circa 71,5° a mezzogiorno solare. In inverno, invece, al solstizio di dicembre, la massima altezza scende a 24,5°, con conseguente riduzione drastica dell’irradianza disponibile.
• Variabilità atmosferica: nuvole, foschia e smog influiscono quotidianamente sulla quantità di radiazione trasmessa.
• Durata del giorno: nei mesi estivi le giornate sono più lunghe, e dunque la quantità totale di energia solare disponibile aumenta.
• Effetto della latitudine: più ci si avvicina all’Equatore, più il Sole risulta alto nel cielo durante tutto l’anno. A 0° di latitudine, ad esempio, il Sole può raggiungere i 90° di altezza, offrendo il massimo dell’efficienza energetica.

Per il dimensionamento di impianti fotovoltaici o solari termici, si assume spesso un valore massimo standard di 1000 W/mq come base di riferimento, anche se questo si verifica solo in condizioni ottimali. In fase progettuale si utilizza invece l’irraggiamento giornaliero medio espresso in kWh/mq al giorno, o meglio ancora, si fa uso di dati meteorologici storici per ottenere stime affidabili della producibilità reale dell’impianto.

 

5) La Variazione Annuale Della “Costante Solare”

Il termine “costante solare” è in realtà una semplificazione: infatti, il valore di 1.367 W/mq è una media, ma non è perfettamente costante. La Terra non percorre un’orbita perfettamente circolare, bensì ellittica, il che comporta una variazione del 7% circa nella distanza Terra-Sole nel corso dell’anno.

Nel perielio (intorno al 3 gennaio), la Terra si trova a circa 147 milioni di km dal Sole, mentre all’afelio (intorno al 4 luglio), la distanza raggiunge i 152 milioni di km. Di conseguenza, l’intensità della radiazione solare ricevuta sulla superficie perpendicolare esterna all’atmosfera varia da circa 1.410 W/mq a gennaio fino a circa 1.320 W/mq a luglio.

In aggiunta, il Sole stesso non è una sorgente completamente stabile: la sua attività segue cicli undecennali (cicli delle macchie solari) durante i quali la sua luminosità può variare dello 0,1–0,25%. Sebbene piccole, queste variazioni influenzano la quantità di energia irradiata nello spazio e quindi anche il bilancio energetico terrestre.

I satelliti meteorologici, come quelli dell’ESA o della NASA, monitorano costantemente l’irradianza solare extraterrestre (nota anche come “Io”), fornendo curve annuali estremamente dettagliate. Queste curve sono alla base dei modelli di simulazione impiantistica, come PVGIS o PVSyst, utilizzati per la previsione della produzione di energia solare in funzione della località, orientamento e inclinazione.

 

Conclusione: Perché Capire L’Irradianza Solare È Fondamentale

Conoscere l’entità e le variazioni dell’irradianza solare è fondamentale per ogni applicazione legata all’energia solare, che si tratti di impianti fotovoltaici, solare termico, solare a concentrazione o semplicemente di analisi climatiche.

Non si tratta solo di conoscere un valore di riferimento come i 1000 W/mq al suolo o la costante solare di 1367 W/mq, ma di comprendere le dinamiche giornaliere, stagionali, atmosferiche e geografiche che influenzano l’effettiva disponibilità di energia.

Per ingegneri, progettisti, tecnici e consulenti energetici, queste informazioni rappresentano la base per valutazioni affidabili, simulazioni e scelte impiantistiche ottimizzate. E per i cittadini o i proprietari di immobili che desiderano investire nel solare, sapere quanto sole arriva davvero sul proprio tetto è il primo passo per calcolare quanta energia possono realmente produrre, quanta ne possono autoconsumare e quanto possono risparmiare.