Ultimo aggiornamento 23 GIU 2022

La risposta spettrale dei piranometri

Uno degli elementi fondamentali che caratterizzano un impianto fotovoltaico è il suo rendimento più comunemente chiamato performance ratio. P.R. (dall’inglese P = Performance, rendimento, risultato e R = Ratio, rapporto, quota); esso definisce il rapporto tra rendimento energetico effettivo e rendimento teorico; si esprime in percentuale.

• Al numeratore abbiamo l’energia  realmente disponibile per l’immissione in rete per kWp di impianto installato
• Al denominatore abbiamo l’energia teorica disponibile in un dato istante espressa in kW/m2

La Formula riportata nella IEC 61724-1:2021 è: PR = Yf / Yr = (Eout / P0) / (Hi / Gi,ref )

Eout : [kWh] uscita di energia dal sistema FV (AC)

P0 : [kWp] potenza nominale 

Hi : irraggiamento sul piano dei moduli fotovoltaici

Gi,ref : valore di riferimento dell’irradianza solare (1 000 W/m2 – STC)

L’energia realmente disponibile e immessa in rete si ottiene misurando sulle 3 fasi corrente, tensione, fattore di potenza integrando il prodotto dato da corrente per tensione per fattore di potenza  per l’unità di tempo considerata, attraverso un analizzatore di rete o un contatore di energia di Classe A.

L’energia teorica disponibile non è altro che l’energia solare incidente sul piano dei moduli fotovoltaici. Essa si può misurare con diversi tipi di piranometri ottenendo però risultati non sempre coincidenti.     

Ora, assumendo che tutti gli strumenti siano tarati corettamente, secondo le rispettive norme, la misura dell’irradianza è una grandezza data dall’integrale della risposta spettrale che altro non è che la somma della sensibilità alle varie lunghezze d’onda per il quale il sensore considerato risponde con un valore elettrico. 

Grazie alla risposta spettrale dei piranometri fotovoltaici il calcolo del Performance Ratio risulta più accurato

La risposta spettrale è uno degli argomenti più convincenti a favore dell’utilizzo di un piranometro fotovoltaico se si vogliono ottenere accurati risultati nel calcolo del P.R.

Iniziamo osservando tre grafici relativi alla risposta spettrale di: un piranometro a termopila, un piranometro fotovoltaico e, infine, un piranometro fotovoltaico per moduli Si amorfo.  

Si può osservare che il piranometro a termopila è in grado di registrare uno spettro molto ampio della intera radiazione solare. Se però andiamo a vedere le caratteristiche fisico-elettriche delle celle che compongono un modulo fotovoltaico, vediamo che esse producono energia (fotovoltaica) quando vengono colpite da radiazioni luminose nella porzione di spettro 350 nm ÷1150 nm.

A questo punto è facile comprendere che tutta la radiazione solare di spettro maggiore di 1200 non viene “sentita” da un modulo FV quindi non viene convertita in energia elettrica; un piranometro a termopila rilevando lunghezze d’onda fino 3000 nm, falserebbe il Performance Ratio.

Facciamo un esempio pratico:

Una giornata estiva di tempo bello, un cielo non molto limpido; al mattino alle 11 il piranometro a termopila misura 1000 W/m²; un piranometro fotovoltaico misura 990  W/m² . Al pomeriggio lo spettro solare si è ‘spostato’ verso l’infrarosso a scapito della porzione di UV; alle 14:30 il piranometro a termopila segna sempre 1000 W/m² mentre il piranometro fotovoltaico segna 950 W/m² …Entrambi i sensori segnano giusto poichè 1000 W/m² è la porzione di spettro solare che il pir. a termopila ‘vede’, mentre ‘950 W/m² è la porzione di spettro che il piranometro fotovoltaico ‘vede’..

Cosa succede in questi casi ricorrenti:

Man mano che ci si avvicina al pomeriggio,  lo spettro subisce una variazione non solo perché diminuisce di intensità rispetto al mezzogiorno solare, ma anche perché c’è uno scostamento nella sua composizione: aumenta la componente I.R. (radiazione infrarossa).

Mentre questa mutazione viene interamente registrata da un piranometro a termopila, in uno a cella fotovoltaica viene registrata solo quella porzione di infrarosso che una cella fotovoltaica è in grado di convertire in energia. Ne risulta che il P.R. risultante dai calcoli dove vi è il piranometro a termopila è inferiore a quello del piranometro fotovoltaico. 

Chi ha ragione riguardo le due misurazioni?

Se ascoltiamo il parere di un meteorologo, allora diamo ragione alla Performance ratio calcolata coi dati del piranometro a termopila; se invece, parliamo con un operatore del comparto fotovoltaico, preferirà il P.R. calcolata coi dati restituiti dal piranometro fotovoltaico perché egli è interessato soltanto alle variazioni di potenza che permettono una conversione fotovoltaica, per confrontarla con la potenza in uscita del suo impianto fotovoltaico. Tanto più il risultato ottenuto dal calcolo del P.R. sarà accurato, tanto più potrà scovare con certezza diminuzioni di performance ed eventuali malfunzionamenti..

Lo scostamento esistente tra i due P.R. calcolati coi due tipi di piranometri non si migliora applicando un coefficiente demoltiplicativo fisso, poiché non tiene conto delle variazioni dello spettro solare. Esso, infatti, muta a seconda dell’altezza solare (e, perciò, anche della latitudine) e anche durante tutta la giornata, anche se in misura minore. 

Non si tratta di un nuovo ragionamento o di una nuova ipotesi. Se ci pensiamo, per  rilevare gli UV (da 210nm a 350nm) si usano radiometri con una sensibilità molto selettiva ,  per misurare gli IR (da 750nm)in su si usano radiometri con sensibilità selettiva dai 750nm.  Ugualmente allora, per ottenere un calcolo accurato della Performance Ratio e comprendere se l’impianto sta realizzando una performance minore o maggiore di quella attesa, la scelta deve ricadere su un buon sensore a cella fotovoltaica. 

Nondimeno i piranometri a termopila conservano dei vantaggi: la loro misurazione è stabile nel corso di diversi anni. Concluderei dicendo che se serve stabilità negli anni suggerirei i piranometri a termopila, se invece interessasse avere risultati più accurati nel calcolo del P.R. sceglierei i piranometri a cella fotovoltaica (o sensori di irradianza) sapendo però che per mantenere quell’accuratezza, necessitano  di essere tarati ogni 2 anni.. tuttavia le normative vigenti indicano per tutti questi sensori una taratura ogni 2 anni.