Energia Solare

Per energia solare si intende l'energia emessa dal Sole con continuità, sotto forma di energia raggiante. L'energia viene irraggiata nello spazio sottoforma di radiazione elettromagnetica.

La radiazione solare che raggiunge il suolo terrestre viene attenuata dalla diffusione e dall'assorbimento ad opera dell'atmosfera. Per questo motivo l' energia solare che raggiunge il suolo terrestre non si degrada qualitativamente durante il tragitto dal Sole alla Terra, ma si diluisce, e quindi, può essere convertita quasi interamente in energia utilizzabile.

Energia irraggiata dal sole: aspetti energetici

L'energia che raggiunge la superficie della Terra muta con il variare di alcuni fattori: latitudine, altezza del suolo, stagione, ora del giorno, variazioni delle condizioni metereologiche locali. L'energia irraggiata dal Sole raggiunge il suolo terrestre secondo alcune leggi, quali:

- la posizione della Terra rispetto al Sole, che trova espressione fisica nella porzione di terra esposta alla radiazione variabile a ritmo stagionale

- nell'emisfero boreale durante l'inverno i raggi del sole arrivano con un angolo basso rispetto all'orizzonte e quindi risultano irradiate con scarsa intensità le superfici orizzontali (tangenti alla superficie della Terra) mentre vengono irradiate intensamente le superfici verticali esposte a Est, Sud, Ovest, in quanto investite secondo angoli vicini a 90.

- in funzione alla rotazione della Terra attorno al suo asse, la parte esposta ai raggi solari varia con ritmo giornaliero, od orario: i raggi del mattino e della sera investono le superfici verticali con angoli relativamente efficaci, essendo il Sole basso sull'orizzonte, mentre nelle ore meridiane l'irraggiamento più intenso raggiunge i piani orizzontali.

Nell'attraversamento dell'atmosfera, il valore della costante solare diminuisce via via che aumenta lo spessore dello strato d'aria attraversato. Per effetto dell'assorbimento atmosferico, il valore di 1,353 kW/m , valido al di sopra dell'atmosfera, si riduce a circa 1,0 kW/m al livello del mare.

Per questo motivo si ha maggiore convenienza nel raccogliere la radiazione solare alle latitudini raggiunte dalle montagne; man mano che il Sole si allontana dallo zenit, aumenta l'assorbimento atmosferico in quanto aumenta lo spessore di atmosfera attraversata.
L'azione filtrante ed assorbente dell'atmosfera non varia soltanto con l'ora solare, ma anche con la stagione e la latitudine: vale a dire che il valore della "costante solare" (cioè la potenza della radiazione solare prima della modificazione da parte dell'atmosfera terrestre) al livello del mare dipende dalla declinazione del Sole.

Agli effetti della raccolta della radiazione solare mediante superfici collocate sul suolo, più importante delle variazioni stagionali dell'altezza del Sole sull'orizzonte, è il moto diurno apparente al Sole.

Durante l'attraversamento dell'atmosfera terrestre l'irraggiamento solare subisce effetti diversi. Una parte di esso viene riflessa verso lo spazio , principalmente ad opera delle nubi, un'altra parte viene diffusa in tutte le direzioni dall'incontro con le molecole di azoto, ossigeno, vapore d'acqua, anidride carbonica, ozono, una parte viene assorbita dalle molecole costituenti l'atmosfera, le quali di conseguenza si riscaldano ed emettono radiazione infrarossa, ed infine, una parte raggiunge la superficie della Terra e prende il nome di radiazione diretta.

La somma della radiazione diffusa e della radiazione infrarossa emessa dell'atmosfera in seguito all'assorbimento costituisce la radiazione diffusa. Soltanto un'aliquota dell'irraggiamento solare raggiunge perciò il suolo terrestre, poiché nell'attraversamento dell'atmosfera esso risulta selettivamente assorbito e disperso.

Dell'energia ricevuta dalla superficie terrestre, una parte viene pertanto assorbita dal terreno, una parte riflessa, una parte rimessa come radiazione infrarossa di lunghezza d'onda 8¸12mm, una parte va dispersa per convezione e una parte contribuisce all'evaporazione superficiale dell'acqua.
È evidente che qualsiasi considerazione sulle relazioni fra l'energia solare e la Terra e sulla possibilità di utilizzare tale energia, è basata sulla conoscenza della distribuzione geografica della intensità della radiazione solare.

Misurazione della radiazione solare

L'apparecchio che misura la durata dell'irraggiamento solare è l' eliografo: questo è sensibile alla radiazione diretta, cioè ai raggi solari visibili. Lo strumento standard registra la radiazione al di sopra del limite d'illuminazione di 210 Wm , cioè di un quinto di un massimo possibile. Il limite può variare tra 70 e 280 Wm .

L'irraggiamento totale si registra con il piranometro, che riceve l'energia solare proveniente da tutto l'emisfero celeste, vale a dire da un orizzonte in modo da misurare la radiazione incidente su una superficie orizzontale. Lo spettro di lunghezza d'onda misurata si aggira tra 0,3 mm e 3 mm.

 Il terzo tipo di misurazione è quello della radiazione diffusa. Si utilizzano in questo caso piranometri forniti di un dispositivo supplementare che serve da schermo alla radiazione diretta.

La radiazione diretta si misura con il pireliometro: questo strumento comporta un'apertura ridotta e una superficie ricevente che deve essere mantenuta ortogonale ai raggi del sole.
Esistono inoltre apparecchi di misura nei quali la termopila è sostituita da una fotopila, la cui sensibilità è molto più elevata e pur mantenendo essi un alto indice di precisione, sono meno costosi.

Sfruttamento dell'energia solare

Lo sviluppo della moderna tecnologia ha portato allo sfruttamento dell'energia solare in due tipi di applicazione:
- il solare termico, che consiste nella trasformazione dell'energia solare in calore.
- il solare fotovoltaico, che consiste nella conversione diretta dell'energia solare in elettricità attraverso un fenomeno fisico-chimico denominato effetto fotovoltaico.