Radiazione solare a terra

Il Sole, nel nucleo del quale si raggiungono milioni di gradi a causa delle numerose reazioni nucleari di fusione che avvengono al suo interno, libera enormi quantità di energia sottoforma di radiazioni elettromagnetiche. La radiazione elettromagnetica emessa è distribuita su uno spettro continuo di frequenze con lunghezze d\'onda comprese all\'incirca tra 0,2 μm e 3 μm. La potenza istantanea del campo elettromagnetico incidente sull\'unità di superficie prende il nome di irraggiamento solare (W/m2). Parte di questa energia raggiunge la superficie esterna dell\'atmosfera terrestre con un irraggiamento medio di circa 1367 W/m2 detta costante solare.

In pratica tale valore proprio costante non è perché varia in funzione dell\'attività solare (macchie solari) e della distanza della terra dal Sole a causa dell’orbita ellittica di rotazione della terra attorno al Sole (minima distanza a dicembre-gennaio, perielio, e massima distanza nei mesi di giugno-luglio, afelio). In effetti la costante solare rappresenta il valore medio della potenza specifica, variabile entro un intervallo del ±3%, con valore massimo nella stagione invernale e minimo in quella estiva.

Nell’attraversare l’atmosfera la radiazione solare (per radiazione solare, misurata in kWh/m2, si intende l’integrale dell’irraggiamento solare in un determinato periodo di tempo) si riduce a causa di fenomeni di assorbimento e riflessione, provocati principalmente dal vapore d’acqua e dai vari gas atmosferici e da fenomeni di parziale diffusione dovuti all’aria e al pulviscolo atmosferico in sospensione (figura 2). A causa di tali fenomeni, al suolo l\'energia specifica è minore e con una composizione spettrale diversa rispetto a quella misurata sulla superficie esterna dell\'atmosfera terrestre.

La radiazione che giunge a terra è composta da una radiazione diretta, dovuta all’irraggiamento diretto sulla superficie, da una radiazione diffusa in ogni direzione dall\'atmosfera e, se il modulo fotovoltaico non è orizzontale, anche da una componente riflessa dal suolo e dagli elementi costituenti l’ambiente circostante (figura 3).

D’inverno e con il cielo coperto la componente diffusa (tabella 1), con composizione spettrale più vicina all\'ultravioletto, è molto più intensa di quella diretta (alcuni tipi di celle sono particolarmente sensibili all\'ultravioletto e presentano quindi una buona resa anche nelle giornate poco soleggiate). La radiazione solare riflessa viene indicata tramite il cosiddetto coefficiente di albedo (frazione di radiazione incidente che viene riflessa in tutte le direzioni, dipende dalla capacità riflettente di una superficie) diverso per ciascun materiale (tabella 2).

Per tener conto dei fenomeni connessi all\'attraversamento dell\'atmosfera della radiazione elettromagnetica incidente in un certo istante, in un determinato punto della superficie terrestre (ovviamente tali fenomeni dipendono anche dalle condizioni meteorologiche locali, in particolare dalla nuvolosità), a livello internazionale è stato definito l\'indice di massa d\'aria, identificato con la sigla AM (Air Mass) seguita da un numero, che vale: AM=P/P0senθ (P, pressione atmosferica - P0, 1,013·105 Pa, pressione al livello del mare in una giornata limpida - θ, angolo di elevazione del Sole sull\'orizzonte all\'istante considerato).

Con AM=0 ci si riferisce alla radiazione all\'esterno dell\'atmosfera (P=0), mentre con AM=1 all\'attraversamento dello spessore minimo di atmosfera quando il Sole è perpendicolare sopra la testa dell\'osservatore (Sole allo zenit, senθ=1) in una giornata limpida, misurato al livello del mare con 1,013·105 Pa di pressione atmosferica. Indici maggiori, AM=1.5, AM=2 ecc., quando il Sole non è allo zenit, indicheranno l\'attraversamento di spessori maggiori (figura 4).

La figura 5 mostra il confronto tra la distribuzione spettrale dell\'irraggiamento solare sulla superficie esterna dell\'atmosfera terrestre, AM=0, e l’attenuazione osservata dopo il passaggio attraverso uno strato dell’atmosfera corrispondente a 1.5 di massa d’aria. La definizione di questo spettro a cielo chiaro con AM=1.5 è usata come riferimento standard per la misura di celle fotovoltaiche.

Figura 2 - La radiazione solare si riduce nell\'attraversare l\'atmosfera. Una parte viene riflessa ed assorbita dal vapore d\'acqua e dagli altri gas presenti nell\'atmosfera e una parte viene diffusa dall\'aria e dalle particelle solide sospese nell\'aria stessa.
Figura 3 - Componenti dell\'irraggiamento sul modulo.
Figura 4 - Indice di massa d\'aria AM
Figura 5 - Confronto tra la distribuzione spettrale dell\'irraggiamento solare sulla superficie esterna dell\'atmosfera terrestre, AM=0, e l’attenuazione osservata dopo il passaggio attraverso uno strato dell’atmosfera corrispondente a 1.5 di indice di massa d’aria
Tabelle 1 e 2 nella guida completa

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