Misurazioni da un Piranometro a Termopila e da un Piranometro a Cella Fotovoltaica

Piranometro a Termopila

Fig.1 - Lo spettro e senssibilità spettrali dei sensori

Un piranometro a termopila ha la capacità di captare tutto lo spettro solare che giunge sulla terra, dagli U.V. all’ I.R. (In fig.1 L’area gialla rappresenta lo spettro solare di riferimento che giunge sulla superficie terrestre).

Questa peculiarità gli consente di effettuare accurate misure dell’irraggiamento solare (grandezza che ha le dimensioni di una potenza, W/m2) che giunge sulla superficie terrestre. Esso costituisce uno strumento insostituibile per lo studio della meteorologia, e dei cambiamenti climatici.

Un’altra sua peculiarità è la notevole stabilità nel tempo (deriva strumentale molto bassa). Così in un campo fotovoltaico i valori restituiti da un piranometro esposto continuamente al sole e al gelo, rimangono gli stessi per lungo tempo. Ci è capitato di osservare scostamenti entro il 1% rispetto al nostro primario di riferimento (SR20) di piranometri a termopila in campo da 2 anni. Va’ detto però che tale peculiarità è stata riscontrata sui piranometri delle migliori case costruttrici.

La prima delle sue caratteristiche peculiari (risposta lineare su tutto lo spettro, linea azzurra in fig.1) è però un elemento che toglie accuratezza nelle misure di performance di un impianto fotovoltaico.

Ragionando coi termini dell’insiemistica, immaginiamo 3 insiemi nella seguente relazione: C ⋲ B ⋲ A come mostrato sotto.

Venn diagram

L’intero spettro solare extraatmosferico appartiene all’insieme A, l’ampia porzione di spettro (frequenze) che giunge sulla superficie terrestre appartiene all’insieme B, mentre la porzione di spettro (frequenze) trasformabile in energia elettrica da un modulo PV appartiene al sottoinsieme C.

Ora pensiamo che i sottoinsiemi B e C siano variabili nel tempo. Uno strumento in grado di “contare” in un dato istante tutte e solo le ricorrenze delle frequenze dell’insieme C dovrà essere selettivo cioè dovrà poter riconoscere le ricorrenze dell’insieme B per non contarle, se no falsa la misura. L’efficienza del sistema sarà data dal rapporto tra misura della produzione energetica e la misura delle frequenze presenti nell’insieme C in un dato istante (<- potenza di quella porzione dell'intero spettro).

Piranometro a cella Fotovoltaica

Un piranometro a cella fotovoltaica possiede la stessa superficie captante (vetro piano) di un modulo PV; ma la peculiarità maggiore risiede nel possedere la stessa capacità captante di un modulo PV. (risposta non lineare, v. area rossa fig.1).

Ciò significa che un piranometro di quella tecnologia (e di buona manifattura) capta tutto e solo lo spettro che può captare un modulo FV. In questo modo, questo sensore agisce da riferimento di tutta e solo la potenza irradiante captabile da un modulo in Silicio cristallino.

La misura del rapporto tra la potenza in uscita (normalizzata a 1000) e il valore dell’irraggiamento consente la misura delle PERFORMANCES dell’impianto fotovoltaico.

Una deriva verso minori efficienze del sistema fotovoltaico verrebbe rilevata da un sistema di monitoraggio che abbia un piranometro a cella PV avente precisione adatta allo scopo.

Terminate queste premesse, tra molti operatori del settore (O&M, Asset Manager, etc..) vi è la “pragmatica assunzione” che il divario tra le misure di irraggiamento effettuate dai piranometri a termopila e dai piranometri a cella fotovoltaica, siano nell’ordine del 4 – 6%.

I primi dati che ci vengono da rilievi effettuati con il dipartimento di Fisica dell’Università di Milano mostrano invece differenze che variano tra il 3 e il 13%. Ciò, senza contare momenti particolari di marginale significato quali le repentine variazioni di irraggiamento dovute a passaggi nuvolosi che mostrano – come comprensibile, vista la differenza nella velocità di risposta tra i due tipi di sensori – differenze nelle misure anche del 80%. Anche al tramonto abbiamo trovato differenze superiori al 15% tra le due misure di irraggiamento.

Nelle tre figure qui sotto possiamo notare la variazione in % tra l’irraggiamento rilevato da un piranometro a termopila e l’irraggiamento rilevato da un piranometro a cella PV monocristallina.

Differenze nelle misurazioni tra le due tecnologie

Con il dipartimento di Fisica dell’università di Milano stiamo approfondendo questo grazie anche alla dotazione di uno spettrofotometro.

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