Come misurare la radiazione solare

I piranometri sono strumenti ampiamente utilizzati dai meteorologi e dai climatologi per monitorare la quantità di radiazione solare che colpisce la Terra in un luogo e un tempo specifici. I piranometri vengono utilizzati per monitorare la densità del flusso di radiazione solare in Watt per metro quadrato (W/mq). I piranometri professionali sono molto costosi e delicati. Ma tu puoi costruire il tuo piranometro con i materiali trovati nel tuo negozio di ferramenta locale, come vedremo in questo articolo. Ricordati, però, di non guardare mai direttamente il Sole, poiché ciò può danneggiare la tua vista in modo permanente.

I piranometri sono stati gli strumenti utilizzati per misurare la radiazione solare da oltre 80 anni. Il database mondiale della radiazione solare si basa sulle misurazioni dei piranometri. Inoltre, il piranometro integra la radiazione nel tempo, in genere tra 5 e 20 secondi. Questo significa che cambiamenti improvvisi come il passaggio di piccole nuvole, uccelli e aerei non daranno picchi o cali transitori nei dati. Un piranometro, pertanto, a differenza di celle solari o altri strumenti fornirà i valori integrati corretti nell’arco di un giorno quando si utilizzano intervalli di campionamento di almeno 20 secondi.

Inoltre, a seconda della tecnologia (silicio amorfo, CdTe a film sottile o celle a tripla giunzione, etc.) e del materiale “finestra” della cella/pannello, le celle fotovoltaiche hanno diverse risposte spettrali. A causa del cambiamento della posizione del sole (massa d’aria), dell’inquinamento, dell’umidità, delle nuvole, etc., lo spettro solare a livello del suolo varia considerevolmente. I piranometri, invece, misurano lo spettro solare totale da 0,3 a 3 micrometri di lunghezza d’onda e forniscono pertanto una misurazione integrata dell’energia solare totale a onde corte disponibile in tutte le condizioni.

Un piranometro impiegato in un campo fotovoltaico.

Perché è utile misurare la radiazione solare

Vi sono varie ragioni per voler misurare la radiazione solare:

  1. Per selezionare il sistema fotovoltaico più appropriato, la tecnologia della cella e il tipo fisso o con inseguitore
  2. Per trovare posizioni ottimali (prospezione solare)
  3. Aiutare le decisioni di investimento
  4. Per monitorare le prestazioni del sistema
  5. Per programmare la manutenzione
  6. Per massimizzare l’efficienza operativa
  7. Per i calcoli delle prestazioni

I punti 1, 2 e 3 possono essere usati per determinare il sistema e la posizione ottimali della centrale elettrica. Anche cambiamenti relativamente piccoli nella posizione di alcune decine di chilometri possono influenzare l’energia annuale disponibile di diverse centinaia di kWh. Microclima e ed effetti geografici dovuti a montagne e valli o coste (ad es. formazione di nuvole) possono causare questa differenza. L’output calcolato in base a misurazioni accurate e una tecnologia fotovoltaica selezionata la sfruttano.

Uno dei piranometri o solarimetri commerciali che puoi trovare anche online, ad es. qui.

I punti da 4 a 7 vengono utilizzati per monitorare l’efficienza e altri parametri prestazionali durante il funzionamento del sistema fotovoltaico installato. Molti inverter per impianti fotovoltaici hanno un ingresso per piranometri e celle solari di riferimento. I punti più importanti che influenzano l’output energetico totale del sistema fotovoltaico (previsto) sono i seguenti:

  • Mancata corrispondenza tra le specifiche STC e la potenza effettiva installata delle celle fotovoltaiche
  • Perdita di efficienza a bassi valori di radiazione
  • Ombreggiatura
  • Temperatura
  • Efficienza dell’inverter
  • Perdite di cavo
  • Sporcizia e precipitazioni sui pannelli

Altri parametri meteorologici come vento, pioggia e temperatura sono spesso registrati:

  • Per ulteriori analisi delle prestazioni dell’impianto
  • La temperatura dei pannelli fotovoltaici fornisce un’indicazione della loro variazione di efficienza
  • Per programmare la manutenzione è possibile utilizzare il vento e la pioggia (pulizia delle finestre dei pannelli) insieme ai dati sulle radiazioni (modifica dell’efficienza)
  • La velocità del vento viene anche utilizzata per prevenire danni ai pannelli in movimento abbassandoli o ruotandoli quando il carico del vento è troppo elevato

Struttura di un piranometro commerciale.

Vantaggi del piranometro su una cella solare

Per misurare la radiazione solare si potrebbe usare, in linea di principio, una piccola cella solare di riferimento – tipo quelle delle lampade solari da giardino, che ha le stesse proprietà dei pannelli fotovoltaici – opportunamente calibrata (vedi ad es. qui per questo metodo). Tuttavia, la maggior parte di queste celle non sono lineari per quanto riguarda la dipendenza fra l’intensità della radiazione solare e la fotocorrente. Pertanto, occorrerebbe selezionare la cella con la caratteristica tensione-corrente (V-I) più piatta.

Inoltre le celle solari di riferimento, anche se adeguatamente calibrate, avranno gli stessi difetti dei pannelli fotovoltaici: dipendenza dalla temperatura, dallo spettro e degrado. Pertanto non saranno in grado di fornire una misurazione accurata della radiazione solare disponibile in tutte le condizioni. A seconda dell’applicazione e del tipo di calcolo dell’energia si possono notare diverse differenze. In realtà, vi sono numerosi vantaggi di un piranometro rispetto a una cella solare di riferimento:

  1. Il piranometro fornisce una lettura indipendente e accurata della radiazione solare disponibile totale
  2. I piranometri sono classificati e calibrati secondo gli standard ISO
  3. Il tempo di risposta del piranometro è più lungo di una cella fotovoltaica
  4. Il piranometro è indipendente dal tipo di cella fotovoltaica
  5. Un piranometro può avere un coefficiente di temperatura molto piccolo
  6. Le celle fotovoltaiche sono specificate in STC (condizioni di prova standard)
  7. Le celle di riferimento (ed i pannelli fotovoltaici) soffrono maggiormente dell’inquinamento rispetto ai piranometri
  8. I calcoli del rapporto di prestazione o dell’indice di prestazione sono più accurati usando un piranometro.

Misurazione indiretta della radiazione solare con una piccola cella solare.

In pratica, quando si utilizzano diversi tipi di celle fotovoltaiche in un impianto fotovoltaico, è necessario utilizzare una cella di riferimento separata per ciascun tipo, ma è richiesto un solo tipo di piranometro per monitorare tutti i tipi di celle. Inoltre, la dipendenza dalla temperatura dei piranometri può essere inferiore all’1% in un intervallo di temperatura di 70 °C (a seconda del tipo e del modello). Questo valore è molto inferiore a quello dei pannelli fotovoltaici e delle celle solari di riferimento.

Come realizzare un piranometro fai-da-te

Per costruire un piranometro fai-da-te, è sufficiente avere il seguente materiale:

  • Disco di alluminio
  • Tubo in PVC più grande (per lo schermo)
  • Tubo in PVC più piccolo (per l’allineamento al Sole)
  • Riduttore per il tubo in PVC grande
  • Tappo finale del tubo in PVC grande
  • Polistirolo
  • Multimetro digitale e termocoppia (sono spesso venduti insieme)

Il nucleo del nostro piranometro fai-da-te è costituito da un disco di alluminio e una termocoppia. La termocoppia è un componente elettrico che, se collegato a un multimetro, può essere utilizzato per misurare la temperatura, in questo caso quella del disco di alluminio. Lo schermo antiabbagliante rappresentato dal tubo assicura che solo la luce solare diretta possa raggiungere il disco di alluminio. Il piranometro, pertanto, deve essere allineato direttamente al sole.

Una rappresentazione schematica del piranometro.

Ecco come procedere alla realizzazione del piranometro:

  1. Crea o acquista un disco di alluminio con un diametro di 60 mm e uno spessore di 5 mm.
  2. Dipingi il disco di alluminio nero su un lato o utilizza una candela per annerirlo con la fuliggine (stai attento!)
  3. Prendi il riduttore in PVC e tieni la parte larga rivolta verso di te.
  4. Incolla il disco di alluminio nella parte larga del riduttore in PVC. Dovrebbe stare sull’anello interno.
  5. Assicurati che il lato nero del disco sia rivolto verso di te.
  6. Taglia il polistirolo in una forma rotonda, per adattarlo comodamente nella parte più piccola del riduttore in PVC.
  7. Taglia il polistirolo ad un’altezza di circa 50 mm.
  8. Usa delicatamente parte del polistirolo per creare una trincea per il filo della termocoppia.
  9. Pratica un foro, del diametro 3 mm, sul lato del cappuccio terminale.
  10. Spingi delicatamente l’estremità della termocoppia attraverso il foro.
  11. Conduci con cautela il filo della termocoppia verso l’estremità anteriore del blocco di polistirolo.
  12. Segui la trincea che preparata in precedenza.
  13. Accertati che la termocoppia funzioni bene a contatto con il disco di alluminio quando inserito nella estremità più piccola del riduttore in PVC.
  14. La termocoppia dovrebbe trovarsi all’estremità lucida del disco di alluminio, non all’estremità nera!
  15. Posizionare con cura il cappuccio terminale sull’estremità più piccola del riduttore in PVC.
  16. Accertati che il filo della termocoppia si adatti perfettamente alla trincea preparata.
  17. Taglia il tubo in PVC (diametro 60 mm) per una lunghezza di circa 140 mm.
  18. Incolla il tubo di l’allineamento (tubo giallo) sul tubo grande (lo schermo antiabbagliante).
  19. Accertati che sia quasi a filo con un lato del tubo grande schermante.
  20. Se tutto è andato secondo i piani, il tuo piranometro dovrebbe assomigliare alla fotografia.
  21. Ora puoi collegare la termocoppia al multimetro.
  22. Assicurati di inserire la spina nel modo giusto (+ e -)!
  23. Per leggere la temperatura, attiva il selettore del multimetro in modalità °C.

Le varie fasi di realizzazione del piranometro.

L’allineamento con il Sole garantisce che i suoi raggi siano perpendicolari alla superficie del disco. Il piccolo tubo di allineamento può essere usato per raggiungere questo obiettivo. Non guardare MAI attraverso tale tubo, poiché potresti danneggiare la tua vista in modo irreparabile, bensì proiettane la luce in uscita su un foglio di carta. L’ideale è abbinare il piranometro a uno strumento di allineamento automatico, quale un inseguitore solare, di cui ho illustrato la costruzione in un articolo che trovi qui.

Come calcolare la radiazione solare totale

Come possono il disco in alluminio e la termocoppia aiutarti a determinare la radiazione solare? Come probabilmente saprai, la luce solare consiste in luce visibile e invisibile. Parte della luce invisibile risiede nel dominio a infrarossi (IR), e la radiazione infrarossa è ciò che si sperimenta come calore quando cammini alla luce del sole. Vorremmo che il disco di alluminio assorbisse quanta più radiazione possibile (è quel che in fisica si chiama “corpo nero”), per questo lo verniciamo completamente di nero.

A causa della radiazione assorbita dal disco di alluminio, la temperatura del disco aumenterà. Se si misura l’aumento in temperatura per un certo periodo di tempo è possibile calcolare l’energia termica assorbita dal disco di alluminio. Supponiamo che tutta la radiazione che raggiunge il disco di alluminio venga assorbita, il disco raccoglie più energia, e questa aggiunta di energia si nota come un aumento della temperatura del disco. La termocoppia viene usata per misurare tale aumento.

Un esempio di solarimetro usato in campo fotovoltaico per misurazioni istantanee.

Possiamo quindi  affermare che il cambiamento di temperatura del disco è una misura dell’energia assorbita. Per l’energia assorbita possiamo scrivere la semplice formula:

Dove Q = Energia (in Joule), m = massa del disco di alluminio (in kg), C = calore specifico dell’alluminio (in J/(kg K), ∆T = variazione di temperatura (in K). La formula appena illustrata ci consente di calcolare l’energia assorbita dal disco di alluminio tramite la misurazione del cambiamento di temperatura, in quanto il calore specifico dell’alluminio è un valore noto in letteratura che si può trovare facilmente online.

Tuttavia, la densità del flusso di radiazione solare è espressa in Watt per metro quadrato (o W/mq), mentre l’energia assorbita dal disco è data in Joule. Come possiamo quindi calcolare la densità del flusso di radiazione solare? Ebbene, il Watt è l’unità della quantità fisica “Potenza”. Puoi calcolare la potenza usando la formula P = E/t, dove: P = Potenza (J/s o Watt), E = Energia (J), t = Tempo (secondi). La quantità di energia E può essere calcolata dalla prima formula, quindi se combiniamo le due formule otteniamo:

L’unica cosa rimasta è il tempo t! Quindi durante l’esperimento è necessario misurare la temperatura del disco in funzione del tempo. Puoi farlo scrivendo la temperatura del disco ogni minuto per circa 15 minuti. In alternativa, puoi acquisire i dati sul computer usando ad esempio Arduino (in modo da poter anche ricavare, volendo, un grafico della variazione di temperatura giornaliera, settimanale, etc.). Con tutti questi dati è ora possibile calcolare la potenza della radiazione solare.

Un misuratore di radiazione solare realizzato con Arduino e una cella solare.

Infine, la densità del flusso di radiazione è espressa in Watt per metro quadrato (W/mq). Ora sappiamo come calcolare la potenza, quindi per arrivare alla densità del flusso dobbiamo solo capire l’area (in metri quadrati) del disco di alluminio. Per la densità del flusso possiamo dunque scrivere:

dove Φ = Densità del flusso (W/mq), P = Potenza (W), A = Area del disco di alluminio (mq). Dato che conosciamo P e possiamo misurare facilmente le dimensioni fisiche del disco di alluminio (semplice calcolo dell’area A di un cerchio noto il diametro/raggio), quest’ultimo passaggio è diretto.

Riferimenti bibliografici: “Build your own pyranometer” – Link