LA MISURAZIONE DELLA RADIAZIONE SOLARE: PIRANOMETRI E SOLARIMETRI

La produttività di una cella solare fotovoltaica dipende da molti fattori tra i quali i principali sono i seguenti:

• la cella solare fotovoltaica non risponde uniformemente a tutte le frequenze della radiazione;
• l’efficienza di una cella solare fotovoltaica in silicio è massima nel range di frequenza della luce visibile;
• la produttività di una cella solare fotovoltaica e conseguentemente di un impianto fotovoltaico dipende dall’incidenza della radiazione che colpisce la sua superficie.

Un altro fattore che influisce sulla produttività di una cella solare fotovoltaica è la temperatura perché il funzionamento di una cella fotovoltaica si basa sull’esistenza di un ‘’band gap’’ appositamente creato nel semiconduttore. Il band gap determina, sotto l’effetto dell’irraggiamento del semiconduttore, la formazione delle coppie elettrone-lacuna. Un aumento di temperatura modifica il ‘band gap’ e diminuisce la velocità di produzione delle coppie elettrone-lacuna: la conseguenza è una diminuzione della produzione di energia elettrica.

In sintesi un aumento della temperatura causa una riduzione nella produzione di energia nel sistema fotovoltaico. Se la produzione di energia di un sistema fotovoltaico è una funzione determinabile di questi fattori, risulta possibile individuare non previste diminuzioni della produzione di energia e capire se esse sono causate da guasti o carenze di manutenzione o se ci sono margini di ottimizzazione dell’impianto in modo da attuare le azioni per ottimizzare il risultato economico.

Per rendere questo possibile, allo stato attuale è necessario sapere in ogni momento quanta energia un sistema fotovoltaico può produrre e quindi è molto utile sapere quanta energia sta raggiungendo la superficie dei moduli fotovoltaici in ogni momento. Ancora più utile potrebbe essere sapere quanta radiazione solare raggiunge i moduli fotovoltaici nella parte di spettro compresa nel range 300 nm – 1100 nm (le celle al silicio sono sensibili alle lunghezze d’onda in questo range), cosicché si possa sapere quanta energia il sistema fotovoltaico dovrebbe produrre in ogni momento.

I sensori che misurano le radiazioni solari sono capaci di misurare la radiazione solare nel punto nel quale sono installati. Essi sono chiamati piranometri e per applicazioni negli impianti fotovoltaici sono essenzialmente usati due tipi di essi: il solarimetro (piranometro a cella fotovoltaica ) e il piranometro a termopila. Una rappresentazione schematica delle differenti tecnologie di misura della radiazione solare è visualizzabile al seguente link: https://soluzionesolare.it/documenti/Infografica.pdf

LA MISURAZIONE DELLE RADIAZIONI SOLARI CON IL SOLARIMETRO

Il solarimetro (o piranometro a cella fotovoltaica) è uno strumento usato per misurare il flusso delle radiazioni solari. Esso usa l’effetto fotovoltaico per misurare la quantità di radiazione solare che raggiunge una data superficie.

Schema di funzionamento di una cella fotovoltaica

Dato che un solarimetro usa l’effetto fotovoltaico esso fornisce risposte analoghe ad un sistema fotovoltaico: produce un segnale elettrico in funzione della radiazione solare incidente. Più in particolare esso risponde principalmente alla luce visibile e il suo output dipende da diversi fattori tra i quali anche dalla temperatura della cella. Esso assorbe le onde approssimativamente comprese nel range 300 nm – 1100 nm. Per ottenere una lettura indipendente dalla temperatura, i valori misurati con un solarimetro a cella fotovoltaica devono essere corretti per compensare gli effetti delle variazioni di temperatura. Non tutti i solarimetri sono dotati di un tale sistema di compensazione che qualora presente deve avere un alto livello di precisione.

LA MISURAZIONE DELLE RADIAZIONI SOLARI CON IL PIRANOMETRO A TERMOPILA

I piranometri a termopila (comunemente impropriamente detti semplicemente ‘piranometri’) sono strumenti usati per misurare il flusso delle radiazioni solari. Essi lavorano misurando la differenza di temperatura tra la parte esposta alle radiazioni e quella non esposta. Questa differenza di temperatura è misurata sfruttando l’effetto termoelettrico tramite una termopila. Una termopila è costituita da una serie di termocoppie connesse le quali sono costituite da una giunzione tra due differenti metalli che, producendo un ‘temperature-dependent potential’, sono comunemente usate per misurare la differenza di temperatura tra due punti.

Schema di funzionamento di una termopila

Usando pertanto una termopila, la differenza del potenziale generato dalla differenza di temperatura tra la superficie esposta e la superficie non esposta alle radiazioni rende possibile ricavare una misura della radiazione solare globale senza tuttavia un’utile selettività tra le diverse lunghezze d’onda . La risposta di questo tipo di piranometro a termopila tipicamente copre l’intero spettro delle lunghezze d’onda dello spettro solare in tutto il range 300 nm – 3000 nm.

Recentemente sono stati sviluppati piranometri termolettrici che non fanno uso di una termopila. Sfruttando comunque l’effetto termoelettrico e la differenza di temperatura essi hanno risposta simile ai piramonetri a termopila non differenziandosi quindi da essi se non per i tempi di risposta dell’ordine dei 20 s.

Distribuzione di irradianza assorbita da un piranometro (a termopila) e da una cella fotovoltaica

E’ quindi da notare che la larghezza di spettro rilevabile da un piranometro a termopila è più ampio di quello misurabile da un solarimetro a cella fotovoltaica ovvero comprende anche le radiazioni che gli impianti fotovoltaici non possono convertire in energia elettrica.

La differenza di risposta spettrale di un piranometro a termopila rispetto ad un solarimetro a cella fotovoltaica è visualizzabile nelle due figure seguenti:

Risposta spettrale di un piranometro a termopila e di un solarimetro a cella fotovoltaica

Per questa ragione, usando il piranometro a termopila per testare il corretto funzionamento e la performance di un sistema fotovoltaico si potrebbero verificare misure del rendimento non corrette in determinate condizioni ambientali. Al contrario, nel caso di utilizzo di un solarimetro (che è dotato di celle fotovoltaiche), i valori dati in ogni condizione ambientale sono analoghi a quelli dell’impianto perché la porzione spettrale che determina il funzionamento di un sistema fotovoltaico è la stessa di quella che determina il funzionamento ovvero il segnale di misura di questo strumento.