Per la rubrica Energia e Futuro iniziamo oggi un ciclo di post che affronteranno il tanto dibattuto tema del’energia solare, iniziando come di consueto dai concetti generali, per poi finire esponendo le varie implementazioni che sfruttano tale forma di energia per produrre energia elettrica o termica.
INTRODUZIONE
Sin dall’antichità al Sole è stato attribuito un ruolo importantissimo, considerato addirittura una divinità da venerare, ma pur avendo perduto questo ruolo, a tutt’oggi si riconosce il ruolo importante del sole per la vita sulla terra, e si discute spesso sulle possibilità e sulle capacità di utilizzare il sole per produrre il bene più importante per ogni società: l’ENERGIA.
L’energia (nel suo significato più ampio) rappresenta un bene primario per tutti noi, in quanto necessitiamo di energia di diverse specie per ogni attività, ma si possono individuare due forme di energia maggiormente necessarie, e si tratta di energia TERMICA ed energia ELETTRICA.
Quando si parla di fabbisogno o di consumo globale di energia è tipico riferirsi alle Tonnellate di Petrolio Equivalente (TEP), in particolare si stima un fabbisogno mondiale medio annuo di circa 9 miliardi di TEP/anno, mentre l’energia irraggiata dal Sole annualmente è circa pari a 20.000 miliardi di TEP, di fatto un quantitativo 2000 volte superiore al fabbisogno attuale.
Fatta questa premessa, appare quindi chiaro l’interesse di tanti soggetti nell’impiego in maniera sempre più massiccia di questa fonte energetica abbondante e gratuita, ma allo stesso tempo si individuano anche tanti soggetti che non la ritengono valida od attuabile per tutta una serie di motivi più o meno validi.
Con questa serie di post intendiamo fare un po’ di chiarezza esponendo senza pregiudizi potenzialità, qualità e difetti dell’impiego di questa sorgente di energia per gli usi della società.
LA RADIAZIONE SOLARE – CENNI GENERALI E CONCETTI BASE DI GEOGRAFIA ASTRONOMICA
Senza volere entrare in spiegazioni sull’attività solare (per la quale abbiamo su AD un collaboratore ben più preparato del sottoscritto), possiamo individuare un parametro definito Costante Solare che rappresenta l’energia media specifica irraggiata dal Sole per unità di tempo fissato pari a 1367 W/m2 (indicata come ICS).
Fissato tale parametro è possibile svolgere dei ragionamenti sull’energia che il sole ci mette a disposizione in ogni momento.
E’ altresì ben noto che tra Terra si muove rispetto al Sole secondo un’orbita ellittica (oltre che ruotare su se stessa con periodo di circa 24h su di un asse inclinato, ovvero piano orbitale e piano equatoriale della Terra non coincidono).
Tale moto di rivoluzione ha durata pari a 365.242 giorni, ovvero 365d 06h 09′ 10″, inoltre (come visibile anche in figura), la distanza tra Terra e Sole in virtù dell’ellitticità dell’orbita terreste varia tra i valori massimo e minimo di circa l’1.7% (in termini assoluti), e questo porta la costante solare a variare di ±3.3% rispetto al valore indicato.
La durata del giorno e della notte non è mai uguale durante le 24h, tranne in due periodi dell’anno quando i raggi solari sono perpendicolari all’asse terrestre (equinozi), inoltre come da tutti ben noto, il Sole sorge ad Est e tramonta ad Ovest.
IRRAGGIAMENTO EXTRATTERESTRE
Riferendoci ad una ipotetica superficie unitaria (1m2) posizionata nello spazio perpendicolarmente rispetto alla radiazione solare, si può calcolare l’Intensità dell’irraggiamento extraterrestre Io(t) come segue:
Io(t) = ICS[1 + 0.033 cos (360n/365)]
Dove n indica il giorno dell’anno considerato (tra 1 e 365).
Calcolando tale grandezza per tutti i giorni dell’anno, si può individuare un valore massimo di 1412W/m2 il primo gennaio ed un valore minimo di 1322W/m2 in corrispondenza del primo di luglio.
Il percorso del Sole osservando la volta celeste si presenta con un arco variabile nel corso dell’anno ed è inoltre funzione del punto di osservazione, pertanto diventa necessario stabilire un sistema di riferimento univoco al quale fare riferimento.
Per determinare la posizione del Sole rispetto ad un osservatore risulta necessario conoscere l’altezza del Sole (ma ovviamente il discorso è valido per qualunque astro di cui si voglia conoscere la posizione) rispetto all’orizzonte e la direzione relativa ai punti cardinali come visibile in figura:
L’altezza solare si indica con α mentre la posizione rispetto alla direzione sud si indica come angolo azimutale γ.
Come origine del sistema di riferimento si considera il punto di coordinate latitudine φ e longitudine Φ pari a φ = Φ = 000°00’00”, pertanto resta da determinare il periodo temporale di osservazione mediante l’individuazione di due parametri, che indicano la declinazione solare δ e l’angolo orario ω, i quali dipendono rispettivamente dal mese e dal giorno in cui si effettua la misurazione (δ) e dall’ora in cui si effettua la misurazione (ω).
La declinazione solare δ rappresenta la distanza sferica dell’astro rispetto alla linea dell’equatore, e si individua un valore pari a -23° 27′ in inverno e pari a +23° 27′ in estate, inoltre viste le lievi variazioni durante il giorno di questo valore, la si ritiene costante durante lo stesso.
La declinazione solare δ si può anche valutare a partire dalla seguente relazione:
δ = 23.45 sen [360(284 + n)/365]
dove n è il giorno dell’anno che si sta considerando (da 1 a 365).
L’angolo orario si valuta a partire dalla seguente relazione:
ω = 15hsol – 180°
dove hsol rappresenta l’ora solare e si calcola in funzione dell’ora convenzionale (ovvero misurata dall’orologio) e la longitudine del punto di osservazione secondo opportune relazioni matematiche.
In conclusione per individuare la posizione del Sole sulla volta celeste istante per istante si utilizzano due relazioni che permettono di valutare altezza ed azimut solare:
α = arcsen (sen δ sen φ + cos δ cos ω cos φ)
γ = arcsen [(cos δ sen ω)/cos α]
La relazione per valutare l’altezza solare necessita il rispetto di alcuni vincoli matematici, altrimenti necessita di alcune correzioni matematiche.
Il prossimo post entrerà nelle valutazioni della radiazione terrestre e permetterà di valutare il quantitativo di energia che si può raccogliere realmente da una superficie in funzione del suo orientamento e delle condizioni di insolazione.
