Dispense Energia Solare - Università degli Studi di Firenze

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L'ENERGIA SOLARE
1.1 Caratteristiche
L’energia solare viene emessa verso la superficie terrestre con uno spettro avente
diverse lunghezze d’onda che vanno dall’ultravioletto ( 0 - 0.4 micron = 10-6 m ), al
vis ibile ( 0.4 – 0.8 micron ), e infine all’infrarosso ( 0.8 – 2.5 micron ), Fig.1.
Fig.1 Spettro della radiazione solare
L'energia del sole si trasmette mediante l'irraggiamento, cioe’ tramite onde
elettromagnetiche che non hanno bisogno di un mezzo per propagarsi, e quindi
possono farlo anche nel vuoto, come accade fuori dall’atmosfera terrestre.
L’energia che parte dal sole non coincide però con quella che arriva sulla terra, in
quanto nel percorso subisce diverse perdite : sia ad opera dell’atmosfera, sia ad opera
di varie rifrazioni e assorbimenti (presenza di vari gas).
Il comportamento del sole si può assimilare a quello di un corpo nero alla
temperatura di 5762 K, ma gli effetti di tale radiazione sono leggermente smorzati
dall'atmosfera terrestre che agisce come un filtro.
Lo studio dell'energia solare pertanto si basa sulle leggi dell' irraggiamento: si noti
come per i corpi neri emittenti la legge di irraggiamento sia:
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dove I0 è il potere emissivo integrale , S è la superficie del corpo e T è la temperatura
superficiale termodinamica (in scala Kelvin) di qualsiasi corpo emittente.
L'intera quantità di energia solare arriva sulla Terra con onde di lunghezza d'onda (λ)
compresa tra 0 e 2,5 micron:
con le seguenti caratteristiche per intervalli di λ :
- tra 0 e 0,36 micron zona degli ultravioletti,
- tra 0,36 e 0,78 micron si ha l’energia luminosa (luce bianca naturale),
- tra 0,78 e 2,5 micron zona degli infrarossi, responsabili della trasmissione
dell’en. termica , cioè della maggior parte dell’energia (oltre il 90%) .
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Effetto Serra
Un fenomeno molto importante è l'effetto serra: esso è dovuto al fatto che alcuni
materiali (es. vetro, fogli di plastica) sono quasi trasparenti alla luce solare, cioè
all’energia incidente nelle lunghezze d'onda comprese tra 0 e 2,5 micron.
Dunque attraverso un vetro può passare, ad incidenza perpendicolare o ad essa
prossima fino a 40 gradi, fino al 90% dell'energia solare. Una volta entrata questa
energia incide sui vari materiali contenuti nella serra e li scalda. Gli oggetti, una volta
scaldati, riemettono radiazioni, con lunghezze d'onda però maggiori, ma il vetro, a
queste radiazioni non è più trasparente, e quindi non le lascia uscire, ed esse
continuano a scaldare l'interno della serra. L’effetto serra è per l’energia solare quas i
assimilabile ad una trappola per topi: si entra facilmente, ma si esce con grande
difficoltà!
Questo effetto è utile e voluto nelle serre, ad esempio nei vivai, perché permette alle
piante di crescere più velocemente.
L'effetto serra in atmosfera è basato sullo stesso principio, e sono gli strati trasparenti
dell'atmosfera stessa, quelli più alti, a svolgere il ruolo del vetro che prima lascia
passare la radiazione solare e poi non permette alle radiazioni riemesse dalla materia
sottostante riscaldata di uscire. Dunque è un effetto che è sempre es istito in natura,
ma negli ultimi anni la situazione è cambiata, soprattutto per l'aumento dell’anidride
carbonica (CO2) e di altri gas inquinanti in atmosfera, dovuto alle emissioni, derivanti
dalle attività delle società industrializzate.
La CO2, infatti, ha valori molto alti di assorbimento della radiazione solare, così
l'emissione costante di migliaia di tonnellate di CO2 fa aumentare l' assorbimento e
dunque il riscaldamento, e con esso la quantità di radiazioni che non sono più in
grado di uscire dall'atmosfera.
La CO2 deriva da tutti i processi che coinvolgono il carbonio, ed in particolare dalla
combustione degli idrocarburi (gasolio, metano, gpl) .
Conclusioni : l'intera società industriale è basata sulla combustione degli idrocarburi,
ed il loro consumo è in continuo aumento in tutto il mondo, quindi è necessario
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trovare una soluzione per una loro decisa riduzione nelle emissioni (Protocollo di
Kyoto)
La prima risposta a questo problema, anche se non decisiva, è la più semplice, e
l'unica immediatamente attuabile da ognuno, cioè il risparmio energetico.
Molta dell'energia consumata nel mondo attualmente viene inutilmente sprecata,
spesso inconsapevolmente o per semplice ignoranza del problema .
Dunque se, anche attraverso campagne informative di sensibilizzazione, si riusc isse a
far sì che ognuno stia attento ad accendere gli elettrodomestici o il riscaldamento solo
quando è necessario, o ad isolare in maniera efficace gli edifici in cui trascorre le sue
giornate sarebbe già un primo importante passo avanti per frenare le emiss ioni di
CO2. Infatti anche se lo spreco giornaliero di ogni singolo individuo può sembrare
marginale, questo va moltiplic ato per miliardi di persone, dunque si capisce come
ogni contributo sia importante.
Il passo successivo, molto più complesso e meno immediato, sarà la progressiva
diffusione di sistemi basati sull'energia pulita, in modo da azzerare le emissioni
dannose. Questo traguardo è ancora lontano, ma già da adesso è poss ibile muoversi in
questa direzione, iniziando a progettare tenendo conto di queste problematiche.
1.3 Utilizzazione dell’energia solare nell’ edilizia
Il Sole può essere sfruttato a proprio vantaggio nella progettazione prima e nella
gestione poi degli edifici.
Per progettare un edificio che tragga vantaggio dal Sole bisogna in primo luogo
saperne la latitudine (l'Italia è tutta compresa tra 36° e 48° di latitudine Nord), la
disposizione e l'orientamento, in modo da poter decidere di conseguenza la
sistemazione degli ambienti e di eventuali pannelli solari. Anche la quota sul livello
del mare gioca, per quanto riguarda l'irraggiamento un ruolo importante, infatti
minore è la quota maggiore è lo spessore di atmosfera che i raggi devono attraversare,
e di conseguenza sarà minore la quantità di radiazioni che arriva a terra.
Ad esempio è importante tenere conto del fatto che le stanze rivolte a Nord non
avranno mai irraggiamento diretto, ma riceveranno soltanto luce diffusa.
Al contrario l'esposizione a Sud garantirà un soleggiamento diretto e medio durante
tutto l'arco della giornata, mentre i grafici dell'esposizione ad Est e ad Ovest sono
simmetrici , dunque ad Est avremo un forte irraggiamento mattutino , e ad Ovest i
raggi arriveranno il pomeriggio e la sera.
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A questo proposito non è consigliabile progettare edifici con camere da letto rivolte
ad Ovest, in quanto l’irraggiamento solare diretto agirà scaldando tale camera poco
prima che si vada a letto, creando disagio estivo agli utenti. Situazioni come questa ,
se conosciute , possono essere sfruttate con vantaggio , infatti.in un clima freddo
avere il sole che riscalda la camera poco prima di dormire è una cosa positiva , ma
sarà negativa in un clima caldo, soprattutto in estate .
Anche il modo in cui vengono progettate le aperture, cioè di solito le abituali finestre,
influisce in maniera determinante sul benessere e sui consumi in un edific io.
Un esempio per tutti è quello degli shed usati nelle fabbriche . Molte di queste
aperture venivano orientate verso Nord poiché si voleva evitare l'abbagliamento dei
lavoratori causato dalla luce diretta . Questa soluzione, però , è molto dispendios a
perché richiede l’illuminazione artificiale quasi in continuità, e mentre l’apporto
energetico solare è quasi nullo , le aperture sono le zone termicamente più disperdenti
dell'involucro di un edificio, ed inoltre gli shed si trovano in alto , dove sale l'aria
calda, dunque, rivolgendo queste aperture a Nord, si ha la più svantaggiosa situazione
di massima dispersione del calore, senza alcun consistente ingresso.
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Orientando gli shed verso Sud , invece , e dotandoli opportunamente di aggetti esterni
e di rivestimenti interni o pannelli diffondenti , si può raccogliere energia solare
senza il problema dell'abbagliamento, e si limitano le dispersioni di calore, con un
bilanc io energetico ed illuminotecnico nettamente favorevole.
Il dato geografico più incidente per gli effetti che il Sole può avere sulla costruzione è
la latitudine, infatti con essa varia l'inclinazione con cui i raggi solari la colpiscono .
Per ogni località sono disponibili in bibliografia i dati statistici climatic i, in
particolare è indicata la radiazione media mensile espressa in MJ/m2 .
Il modo più antico di usare l'energia solare è il guadagno diretto , cioè quello che si
ottiene semplicemente dal fatto che l’edificio , o un suo particolare componente ,
soprattutto le vetrate, o gli oggetti che esso contiene vengono colpiti e dunque
scaldati dai raggi solari.
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Qui gioca un ruolo importante l'inerzia termica , infatti la situazione più classica è
quella che si verifica quando i raggi attraversano una finestra qualsias i e incidono
direttamente su: pavimento e pareti e gli oggetti contenuti nell'edificio in questione,
ed indirettamente anche su soffitto e pareti interne. In questo caso tutte le superfici
durante le ore di illuminazione assorbono calore che poi riemetteranno di sera e notte
con il calare del sole e della temperatura interna. Maggiore è la massa che viene
colpita dai raggi solari , maggiore sarà il potere d’accumulo, e quindi il calore
assorbito di giorno, e quindi quello poi riemesso di notte. A questo processo
partecipano anche gli arredi e le finiture, ad esempio un colore più scuro assorbe di
più . Questo permette di innalzare sensibilmente la temperatura e, di risparmiare sul
riscaldamento nei climi freddi, quindi si dovrà aver cura di predisporre adeguate
superfici trasparenti, ed avere superfici interne molto assorbenti.
La progettazione bioc limatica , dunque , deve tenere conto di moltissimi fattori, ed il
Sole è il primo di questi , anche perché è il motore stesso del microclima della zona ,
che è il secondo fattore di cui tenere conto. Ad esempio in una valle sarebbe meglio
evitare la cima perché troppo ventilata , ma anche il fondovalle perché è meno
soleggiato e più freddo visto che l'aria fredda scende in basso. L'ideale è un
semipendio rivolto verso Sud.
Un elemento fondamentale in tutti i sistemi analizzati sopra è il comportamento della
radiazione attraverso il vetro o le superfici trasparenti in genere.
Quando la radiazione colpisce il vetro , infatti una parte di essa viene trasmessa,
un'altra viene riflessa e la rimanente viene assorbita. La parte di energia trasmessa ,
riflessa o assorbita dipende dalle caratteristiche del materiale e dall'angolo di
incidenza dei raggi solari sulla lastra. Infatti per un'inc linazione dei raggi fino a 45°
rispetto alla normale, la percentuale trasmessa è molto alta (fino al 90-95 %) , e può
variare a seconda della trasparenza del materiale o della sua pulizia , ma oltre questa
inclinazione il vetro riflette via via la maggior parte della radiazione incidente.
Il vetro è un materiale che si ottiene dalla silice, e a seconda della percentuale di
ossidi di silic e e di altri componenti chimici presenti, si producono vetri più o meno
trasparenti, opachi.
Il vetrocamera è costituito di solito da due vetri con in mezzo aria, essiccata per
evitare la formazione di condensa alle basse temperature. Soluzioni più progredite ,
ma più costose , prevedono che l’aria sia rimpiazzata da gas inerti (es. argon) , e che
sui vetri si possono stendere pellicole antiriflesso o energetiche, al fine di migliorarne
ulteriormente l’isolamento termico, fino a valori attorno a 1 W/m2 K, anzichè 2 – 2,5.
Per quanto riguarda le pareti , invece , possono entrare in gioco molteplic i fattori
come i materiali , i colori , lo strato isolante o gli accorgimenti tecnici .
La cosa più importante da ricordare è che all'aumentare della massa il muro trasmette
meno il calore mentre la sua inerzia termica aumenta, dunque se la massa è elevata il
calore viene pian piano assorbito e poi viene restituito più avanti nel tempo (es.notte).
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Un altro elemento di cui bisogna tenere conto sono le ombre portate , che oltre
all'importanza visivo-architettonica, possono essere usate per evitare surriscaldamenti
estivi .
Nello studio delle ombre portate va considerato il loro spostamento nell' arco delle
ventiquattro ore e nell'arco dell' anno.
Gli aggetti , dunque , possono svolgere un ruolo importante per sfruttare le ombre ,
così come gli schermi, verticali o orizzontali, fissi o mobili, disposti in
corrispondenza delle zone da ombreggiare.
La posizione del nostro pianeta nella sua orbita intorno al sole e l'inc linazione del suo
asse , oltre la latitudine, sono gli elementi che determinano l'inclinazione dei raggi
solari sulla sua superficie ; le date fondamentali da conoscere sono i due solstizi e i
due equinozi . Il solstizio invernale (21 Dic embre )segna nell’emisfero Nord la data
con il dì più breve , mentre quello d'estate (21 Giugno) quella del dì più lungo;
e nell’emisfero Sud, viceversa . I due equinozi (21 Marzo e 21 Sett.), invece, sono i
due giorni dell'anno in cui il numero delle ore di luce è esattamente lo stesso delle ore
di buio .
Il massimo irraggiamento solare ottenibile su una superficie orizzontale nel mese più
favorevole e con aria limpidiss ima è misurabile in 1100 W/m2. I coefficienti di
utilizzazione sono molto minori di 1 , quasi sempre minori del 50% , dunque si dice
che il Sole dà energia a bassa intensità, e quindi per avere grandi accumuli di energia
servono grandi superfici captanti , che però costano molto.
Il Sole , inoltre regola tutto il ciclo dell'acqua e quello della vita. Le precipitazioni
avvengono quando il vapor d'acqua presente nell’aria condensa . Questo avviene
quando un'alta concentrazione di esso si sposta in una zona con una temperatura
favorevole .
La temperatura dipende dal sole , ed era stato sempre il sole a far evaporare l'acqua
delle riserve del nostro pianeta portando il vapor acqueo in atmosfera.
Tornando a parlare di microclima si nota come in genere la temperatura salga con
l'aumentare della densità abitativa . In città, infatti arriva meno vento, ci sono più
attività con dispersioni termiche, pavimentazioni ed edifici costituenti accumuli
termici, e tutto fornisce calore. Dunque secondo la legge se progetto in aperta
campagna posso abbassare la temperatura esterna di progetto di due o tre gradi,
perchè è tale la differenza di temperatura.
Per stabilire la temperatura esterna del sito in cui progetto è importante l'altezza sul
livello del mare. In genere si calcola un abbassamento della temperatura esterna di un
grado ogni 150-200m , e questo dato vale in estate come in inverno.
Ogni elemento della morfologia di un sito : il mare , i laghi , i venti predominanti o la
presenza di montagne o colline, influenza il microclima, e quindi dovrebbe
conseguirne una progettazione ad hoc.
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Nel considerare i carichi termici agenti su un edific io bisogna sempre ricordare che
anche quelli interni influiscono . Infatti la presenza di lampade , elettrodomestici ,
persone , in un locale influiscono molto sulla temperatura interna risultante.
In conclus ione il microclima e l'azione del Sole deve condizionare pesantemente il
progetto di un edificio in ogni sua fase .
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