La radiazione elettromagnetica del Sole viene irradiata dalla sua fotosfera, che è la regione del Sole che siamo in grado di osservare.
La fotosfera del Sole ha una temperatura di circa 6000K ed emette radiazioni elettromagnetiche simili a un “corpo nero” a quella temperatura.
La potenza totale della radiazione emessa dal Sole è di circa 9,5×1025W.
Questa energia viene irradiata dal Sole verso tutto lo spazio circostante e solo una piccola parte di essa raggiunge la Terra.
L’energia media emessa dal Sole che per unità di tempo raggiunge al di fuori della superficie dell’atmosfera terrestre ha un valore medio di 1353 W/m2.
Solo una parte della radiazione che colpisce l’esterno dell’atmosfera terrestre raggiunge la superficie terrestre.
Ciò è dovuto al fatto che l’atmosfera ha molti effetti sulla radiazione che la attraversa: parte della radiazione viene assorbita, parte viene riflessa, in modi variabili a seconda delle singole frequenze.
La radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre è la somma della radiazione che proviene direttamente dal Sole e di quella indiretta che l’atmosfera terrestre diffonde in ogni direzione.
La combinazione di questi effetti determina un’alterazione della distribuzione spettrale e della costante solare che corrisponde alla radiazione totale che raggiunge la superficie terrestre.
E’ infatti attenuata: il valore di potenza è di circa 1000 W/m2 anche se localmente e temporaneamente si vedono frequentemente valori di irraggiamento intorno ai 1100 W/m2.
La produttività di una cella solare fotovoltaica dipende da molti fattori, i principali sono i seguenti:
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 una “banda proibita” appositamente creata nel semiconduttore.
La banda proibita determina, sotto l’effetto dell’irraggiamento del semiconduttore, la formazione di coppie elettrone-lacuna.
Un aumento della temperatura modifica la ‘banda proibita’ 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 provoca una riduzione della produzione di energia nell’impianto fotovoltaico.
Se la produzione di energia di un impianto fotovoltaico è una funzione determinabile di questi fattori, è possibile individuare diminuzioni impreviste della produzione di energia e capire se sono causate da guasti o carenze di manutenzione o se esistono margini per ottimizzare l’impianto al fine di attuare le azioni per ottimizzare il risultato economico.
Per rendere possibile tutto ciò, allo stato attuale è necessario sapere in ogni momento quanta energia può produrre un impianto fotovoltaico e quindi è molto utile sapere in ogni momento quanta energia sta raggiungendo la superficie dei moduli fotovoltaici.
Potrebbe essere ancora più utile sapere quanta radiazione solare raggiunge i moduli fotovoltaici nella parte dello spettro compresa nell’intervallo 300 nm – 1100 nm (le celle al silicio sono sensibili alle lunghezze d’onda di questo intervallo), in modo da poter sapere quanta energia l’impianto fotovoltaico dovrebbe produrre in ogni momento.
I sensori che misurano la radiazione solare sono in grado di misurare la radiazione solare nel punto in cui sono installati.
Prendono il nome di piranometri e, per applicazioni negli impianti fotovoltaici, ne vengono utilizzati essenzialmente di due tipi: il sensore di irraggiamento (piranometro a celle fotovoltaiche) e il piranometro a termopila.
Una rappresentazione schematica delle diverse tecnologie di misurazione della radiazione solare può essere visualizzata al seguente link: https://soluzionesolare.it/documenti/Infografica.pdf
Il sensore di irraggiamento (o piranometro a celle fotovoltaiche) è uno strumento utilizzato per misurare il flusso della radiazione solare.
Utilizza l’effetto fotovoltaico per misurare la quantità di radiazione solare che raggiunge una determinata superficie.
Poiché un sensore di irraggiamento utilizza l’effetto fotovoltaico, fornisce risposte simili a quelle di un impianto fotovoltaico: produce un segnale elettrico in funzione della radiazione solare incidente.
Più specificamente, risponde principalmente alla luce visibile e la sua emissione dipende da vari fattori, tra cui la temperatura della cella.
Assorbe le onde approssimativamente nell’intervallo 300 nm – 1100 nm.
Per ottenere una lettura indipendente dalla temperatura, i valori misurati con un contatore solare a celle fotovoltaiche devono essere corretti per compensare l’impatto delle variazioni di temperatura.
Non tutti i sensori di irraggiamento sono dotati di un sistema di compensazione di questo tipo che, se presente, deve avere un alto livello di precisione.
I piranometri a termopila (comunemente chiamati semplicemente “piranometri”) sono strumenti utilizzati per misurare il flusso della radiazione solare.
Funzionano misurando la differenza di temperatura tra la parte esposta alle radiazioni e quella non esposta.
Questa differenza di temperatura viene misurata utilizzando una termopila.
Una termopila è costituita da una serie di termocoppie collegate che sono costituite da una giunzione tra due metalli diversi che, producendo un “potenziale dipendente dalla temperatura”, sono comunemente utilizzate per misurare la differenza di temperatura tra due punti.
Pertanto, utilizzando una termopila, il gap di potenziale generato dalla differenza di temperatura tra la superficie esposta e la superficie non esposta all’irraggiamento consente di ottenere 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 copre tipicamente l’intero spettro delle lunghezze d’onda dello spettro solare in tutto l’intervallo 300 nm – 3000 nm.
Di recente sono stati sviluppati pirometri termoelettrici che non utilizzano una termopila.
Tuttavia, sfruttando l’effetto termoelettrico e la differenza di temperatura, hanno una risposta simile al piranometro a termopila, quindi non differenziandosi da essi se non per tempi di risposta dell’ordine di 20 s.
Va quindi notato che l’ampiezza dello spettro rilevabile da un piranometro a termopila è più ampia di quella misurabile da un sensore di irraggiamento con cella fotovoltaica oppure include anche la radiazione che gli impianti fotovoltaici non possono convertire in energia elettrica.
La differenza nella risposta spettrale di un piranometro a termopila rispetto a un sensore di irraggiamento a celle fotovoltaiche può essere vista nelle due illustrazioni seguenti:
Per questo motivo, l’utilizzo del piranometro a termopila per testare il corretto funzionamento e le prestazioni di un impianto fotovoltaico può comportare misurazioni errate delle prestazioni in determinate condizioni ambientali.
Al contrario, nel caso di utilizzo di un sensore di irraggiamento (che è dotato di celle fotovoltaiche), i valori riportati in ogni condizione ambientale sono simili a quelli dell’impianto perché la porzione spettrale che determina il funzionamento di un impianto fotovoltaico è la stessa che determina il funzionamento o il segnale di misura di questo strumento.
