Irradiazione – Guida alla progettazione di un Impianto Fotovoltaico pt. 1

Il fotovoltaico è ormai il protagonista indiscusso della transizione energetica in Italia, non più una tecnologia marginale. I benefici di questa fonte energetica sono sempre più apprezzati sia dal punto di vista ambientale che economico, e la sua crescita esponenziale sta contribuendo a modellare il nostro futuro energetico.

Il governo italiano, consapevole dell’importanza cruciale del fotovoltaico, sta implementando politiche mirate a sostenere questa rivoluzione. Un elemento chiave di questo supporto è rappresentato dalle agevolazioni fiscali, concepite per facilitare l’adozione delle tecnologie solari, rendendole più accessibili e convenienti.

Tuttavia, per garantire che l’installazione di un impianto fotovoltaico sia realmente vantaggiosa, è essenziale seguire una serie di requisiti. Occorre rispettare procedure specifiche per avviare il processo, effettuare valutazioni preliminari, calcolare con precisione il dimensionamento degli elementi e condurre studi di rendimento per progettare impianti efficienti.

Per ottimizzare il tempo e adottare un approccio efficace, si consiglia l’utilizzo di un software fotovoltaico come Blumatica Impianti Solari. Questo strumento supporta la progettazione e il dimensionamento di ogni componente di un sistema fotovoltaico, fornendo inoltre analisi economiche approfondite per valutare la reale redditività dell’impianto.

Data l’importanza della problematica, cerchiamo di analizzare con una serie di approfondimenti tutti gli aspetti necessari per una corretta progettazione degli impianti fotovoltaici.

In particolare, in questo primo approfondimento, ci concentreremo sull’irradiazione e sugli elementi che influenzano la produttività di un impianto.

Posizione apparente del Sole 

Poiché la Terra ruota su se stessa da Ovest verso Est e non percepiamo questo movimento, abbiamo l’impressione che sia la sfera celeste a ruotare in senso opposto, cioè da Est a Ovest, portando con sé tutti gli astri, incluso il Sole. A causa dell’inclinazione dell’asse terrestre rispetto al piano dell’orbita, il Sole sembra apparire a diverse altezze sull’orizzonte a seconda della stagione.

Questa percezione errata, che ha influenzato la visione del mondo e del cielo per millenni, è tuttavia così comoda che viene ancora oggi utilizzata per riferirsi, in modo semplice e intuitivo, a ciò che accade nel cielo.

Esposizione al Sole

La ricerca della massima esposizione è una delle principali preoccupazioni di un progettista. Tuttavia, non tutta la radiazione solare raggiunge la superficie terrestre: una parte viene riflessa dall’atmosfera, una parte la attraversa, una parte viene assorbita e il resto si diffonde propagandosi in tutte le direzioni. La porzione di radiazione che effettivamente raggiunge la superficie terrestre è chiamata radiazione diretta.

La somma della radiazione diretta e di quella diffusa costituisce la radiazione globale. Se la superficie è inclinata, si aggiunge anche la radiazione riflessa.

La radiazione riflessa dipende dalla natura del terreno, rappresentata dal coefficiente di Albedo, che è calcolato come il rapporto tra la radiazione riflessa da una superficie e la radiazione incidente sulla stessa superficie. I coefficienti di Albedo possono variare da 0 a 1.

Radiazione solare

La radiazione solare rappresenta l’energia per unità di area che riceve dal sole in un determinato intervallo di tempo; infatti viene definita in kWh/m² e rappresenta l’energia effettivamente disponibile in una determinata località.

Il progettista può ricavare tali dati o da normative tecniche, come ad esempio la UNI 10349, oppure direttamente dalle banche dati delle stazioni metereologiche.

Ad esempio, in Blumatica Impianti Solari, definita la posizione del sito in cui si vuole progettare l’impianto, c’è la possibilità di ricavare tutti i dati climatici dalle seguenti fonti:

UNI 10349:2016

La norma contiene i valori medi mensili per tutte le stazioni di rilevazione relativi a temperatura, pressione di vapore, irradiazione solare su piano orizzontale (diretta e diffusa su superficie orizzontale e sulle superfici verticali orientate nelle direzioni principali), velocità del vento.

Inoltre, la norma definisce i metodi di calcolo per la suddivisione della radiazione solare globale nelle frazioni diretta e diffusa e per il calcolo della radiazione incidente su superfici inclinate e/o orientate in una direzione qualsiasi.

Anno tipo CTI

Il Comitato Termotecnico Italiano (CTI), in collaborazione con ENEA nell’ambito della Ricerca di Sistema promossa dal Ministero dello Sviluppo Economico (MSE), ha sviluppato gli anni tipo climatici per tutte le Province italiane. Realizzati utilizzando il modello di calcolo della norma UNI EN ISO 15927-4, gli archivi contengono i valori orari di un anno (quindi 8760 valori) dei dati meteorologici (realmente misurati, in un periodo di almeno 10 anni) delle principali variabili meteorologiche: temperatura, irradianza solare globale su piano orizzontale, umidità relativa e velocità del vento.

PvGis

Acronimo di “Photovoltaic Geographical Information System”, è uno strumento di calcolo della radiazione solare realizzato dalla Comunità Europea. Il programma si basa su un modello denominato r.sun ed è in grado di produrre 3 output diversi a seconda delle esigenze:

• Irradianza giornaliera: Determina la quantità di radiazione solare che colpisce quotidianamente una superficie situata nel luogo selezionato
• Irraggiamento mensile: Calcola l’irraggiamento medio che colpisce una superficie nel luogo scelto per ciascun mese dell’anno.
• Calcolatrice FV: Inserendo il tipo di pannelli fotovoltaici che si desidera utilizzare, lo strumento è in grado di stimare la quantità di energia elettrica che possono produrre.

All’interno di Blumatica Impianti Solari è possibile importare una stazione da PvGis, sia oraria che mensile, all’interno degli archivi di base del software.

Inoltre, il progettista ha la possibilità di importare direttamente dei dati personalizzati (tramite file Excel o CSV), ricavati ad esempio da stazioni meteo.

Diagrammi solari polari e cilindrici

Il diagramma solare rappresenta il movimento apparente del sole sulla sfera celeste, proiettato su un piano orizzontale (diagramma polare) o verticale (diagramma cilindrico).

Questo strumento viene utilizzato per determinare i periodi in cui un punto specifico di una superficie è soggetto da ombreggiamento a causa di ostacoli che intercettano i raggi solari.

La posizione del sole è determinata dall’altezza solare e dall’angolo azimutale solare, che è l’angolo formato tra la proiezione dei raggi solari sul piano orizzontale e la direzione sud, considerato positivo se la proiezione va verso est. Nei diagrammi solari, per ogni latitudine, si possono disegnare curve che collegano i punti che rappresentano la posizione del sole in diverse ore dello stesso giorno, generalmente il ventunesimo di ogni mese.  In aggiunta, altre curve, perpendicolari a queste ultime, collegano punti relativi alla stessa ora del giorno, in giorni differenti dell’anno

Diagramma solare polare

Questo diagramma si ottiene proiettando il percorso del sole su un piano orizzontale. La volta celeste è rappresentata tramite una griglia che include le linee di altitudine e di azimut.

Il sistema di coordinate impiegato è centrato sull’osservatore con il piano dell’orizzonte come riferimento. Le circonferenze concentriche indicano gli angoli di elevazione solare costante sopra l’orizzonte, con incrementi di 10°. Il cerchio di raggio massimo, si ottiene quando l’angolo di altitudine è uguale a zero, rappresentando quindi l’alba e il tramonto del sole.

Le linee radiali mostrano l’azimut solare, ovvero l’angolo formato tra la proiezione sul piano orizzontale dei raggi solari e la direzione sud. Il percorso del sole il 21 di ogni mese viene rappresentato da curve solari che vanno da est ad ovest, mentre le ore solari vengono indicate lungo il tracciato solare mensile.

Unendo i punti che indicano le diverse posizioni del sole, è possibile disegnare il percorso giornaliero del sole; ripetendo questa operazione in diversi periodi dell’anno si ottengono diverse traiettorie. In questo modo è possibile tracciare il percorso del sole per ogni singolo giorno.

Collegando invece le ore del giorno su ciascun percorso solare, si ottiene una linea che rappresenta l’ora del giorno corrispondente. Collegando i vari punti, si ottiene così il diagramma solare. Queste curve sono per la maggior parte delle volte definite nei periodi dell’anno significativi come i solstizi e gli equinozi, o più in generale per ogni mese dell’anno. Dato che il movimento del sole è simmetrico rispetto ai solstizi, ogni traiettoria del sole rifletterà i due mesi che sono simmetrici rispetto a tali eventi.

In Blumatica Impianti Solari, all’interno della sezione del Layout è possibile attivare il percorso solare ed è possibile anche attivare le impostazioni grafiche per personalizzare il diagramma:

Diagramma solare cilindrico

In alternativa al diagramma solare polare, è possibile utilizzare un diagramma cilindrico per rappresentare la posizione del sole. Questo strumento permette di determinare graficamente l’altezza solare e l’azimut solare.

Nel diagramma, le linee orizzontali indicano gli angoli di elevazione solare sopra l’orizzonte, mentre le linee verticali rappresentano gli angoli azimutali fissi.

Il reticolo del diagramma copre gli angoli verticali e orizzontali dell’intera volta celeste, consentendo di trasferire la posizione del sole dalla volta celeste alla carta solare.

Le considerazioni applicabili al diagramma polare valgono anche per questo diagramma. Noti gli angoli dell’altezza solare e azimut, è possibile stabilire la posizione del sole in cielo e tracciare il percorso solare nel cielo, pertanto ancora una volta si può disegnare il percorso del sole per ogni giorno dell’anno.

Infine, collegando tra loro i punti rispettivi alla stessa ora del giorno su ogni percorso solare, si ottengono delle isolinee corrispondenti ad una stessa ora. Il risultato grafico è quindi, ancora, una famiglia di curve.

In Blumatica Impianti Solari è presente una specifica sezione dedicata al diagramma solare cilindrico, in cui è possibile definire le ostruzioni che incidono sull’irradiazione solare.

In particolare, il profilo di ostruzione può essere automaticamente importato da PVGIS oppure editato manualmente dal progettista. Il software, in quest’ultimo caso, mette anche a disposizione una specifica funzionalità per l’importazione e l’unione automatica di un set di foto, in modo da ottenere uno sfondo continuo su cui ricalcare il profilo di ostruzione.

Orientamento ed inclinazione dei pannelli fotovoltaici

Il rendimento di un impianto fotovoltaico è fortemente influenzato dall’irraggiamento solare del sito di installazione, e raggiunge la massima efficienza quando i raggi solari colpiscono i pannelli perpendicolarmente.

L’orientamento ottimale dei pannelli solari è verso sud con un angolo azimutale di 0°.

Se l’installazione in direzione sud non è praticabile o ci sono ostacoli che causano ombreggiamenti, è possibile regolare l’orientamento dei pannelli:

• orientando i pannelli verso sud-est o sud-ovest con un angolo massimo di 45°, la riduzione annua nella produzione sarà contenuta (1-3%);
• se l’angolo di orientamento supera i 45° rispetto a sud, si verificherà una notevole diminuzione nella produzione.

La radiazione solare è meno significativa per un pannello orientato a est o, ancor meno, a ovest, poiché catturerebbe principalmente la radiazione mattutina o serale.

La prima operazione da effettuare è individuare gli spazi dove posizionare i moduli fotovoltaici. Quando possibile, si preferisce un’installazione integrata nel tetto stesso. L’esposizione ottimale coincide con il sud pieno, dato che il tilt non può variare; pertanto, è essenziale trovare la posizione del tetto più favorevole ai raggi solari per garantire la massima produttività ossia, con un angolo azimut (γ) pari a 0 gradi.

L’inclinazione ideale dei pannelli fotovoltaici è strettamente legata alla latitudine del luogo di installazione.

Come regola generale, si consiglia di posizionare i pannelli con un’inclinazione pari alla latitudine (L) del sito per ottenere la massima produzione annuale. Ad esempio, per una latitudine di 40°, l’inclinazione raccomandata varia tra i 30° e i 40°.

Questa rappresenta la situazione ideale, considerata il “caso standard” ottimale, tipica di impianti a terra o su tetto piano. In altri casi, come tetti a falda o a dente di sega, oppure serre agricole preesistenti, non è sempre possibile installare i moduli nella posizione ottimale, rendendo necessari compromessi. Tuttavia, orientamenti verso sud-est, sud-ovest, est o ovest e inclinazioni tra 0° e 60° consentono comunque di raccogliere una buona percentuale di radiazione solare (70%-80%).

Determinare la corretta inclinazione dei pannelli richiede anche la considerazione della superficie di montaggio:

• se l’impianto fotovoltaico viene installato sul tetto di un edificio, i pannelli seguiranno l’inclinazione della falda del tetto;
• se l’impianto è installato a terra o su una superficie piana diversa dal tetto, è fondamentale calcolare con precisione l’inclinazione per evitare che le file di pannelli si ombreggino reciprocamente in determinati periodi dell’anno.

Al posto della struttura fissa, uno dei componenti più utilizzati negli impianti fotovoltaici è il sistema ad inseguimento, che consente ai pannelli di seguire il movimento apparente del Sole nel cielo durante la giornata. Questo orientamento favorevole massimizza l’energia elettrica prodotta sia durante il giorno che durante l’anno.

Gli inseguitori possono essere categorizzati principalmente considerando tre aspetti:

• il numero di assi e la direzione in cui sono orientati;
• il tipo di meccanismo utilizzato per l’orientamento;
• il sistema di controllo elettronico adottato.

Un sistema di inseguimento monoassiale può aumentare la produzione energetica tra il 10% e il 30% rispetto a un sistema fisso, a seconda del modo in cui è installato e configurato. Al contrario, un sistema di inseguimento biassiale può aumentare la produzione energetica del 35% al 40%, a seconda delle specifiche del modello utilizzato.

Inoltre, la tipologia di impianto e la sua inclinazione influenza ovviamente anche la distanza che occorre garantire tra file parallele di moduli al fine di evitare il reciproco ombreggiamento.

Tramite una specifica funzionalità, Blumatica Impianti Solari suggerisce in automatico l’orientamento e l’inclinazione ottimale dei moduli, nonché la distanza minima da dover garantire tra i moduli. Il software consente di gestire qualsiasi tipologia di installazione, fissa (complanare, non complanare, est-ovest) o ad inseguimento (ad un asse o due assi).

Ombreggiamento

La presenza di ombre rappresenta un aspetto critico nell’installazione di impianti fotovoltaici e va assolutamente evitata. Le ombre possono derivare da diversi fattori, come edifici circostanti, alberi di considerevole altezza, strutture vicine (antenne, pali) e la conformazione del territorio.

Prima di avviare l’installazione di un sistema fotovoltaico, è essenziale effettuare un’attenta verifica della presenza di possibili aree ombreggiate e eseguire un calcolo dell’ombreggiamento mediante l’uso del coefficiente specifico.

Questo valore viene ottenuto attraverso un’analisi dettagliata che valuta gli elementi presenti nell’ambiente circostante l’impianto, sia naturali che strutturali, per comprendere come influenzino l’irraggiamento solare e per determinare se possano creare ombre sulle superfici dei pannelli. Il processo include una visita sul campo con l’uso di strumenti inclinometrici per identificare gli oggetti che potrebbero proiettare ombre e calcolarne l’angolazione azimutale.

I risultati ottenuti vengono inseriti in una rappresentazione grafica delle coordinate cartesiane (diagramma solare). A questo punto, è consigliabile esaminare attentamente i dati e utilizzare un’applicazione informatica dedicata al calcolo dell’ombreggiamento fotovoltaico. Questo strumento consente di valutare l’eventuale presenza di ombre utilizzando un semplice rilievo fotografico direttamente sul diagramma solare del luogo di installazione. Il software permette di determinare se durante determinati periodi dell’anno questi fattori causeranno ombre sul sistema fotovoltaico.

La presenza di ostacoli naturali (come rilievi e alberi) o artificiali (come edifici) all’orizzonte può ridurre l’irraggiamento solare e influenzare il tempo necessario per il recupero dell’investimento. È essenziale considerare anche la riflettanza delle superfici circostanti, cioè la capacità di riflettere parte della luce incidente su di esse. Utilizzando uno strumento topografico, è possibile rappresentare graficamente su un diagramma solare verticale il profilo degli oggetti sopra la linea dell’orizzonte, visibili dal punto in cui i pannelli fotovoltaici verranno installati.

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Quando si progetta un impianto fotovoltaico, è fondamentale considerare diversi aspetti, tra cui il calcolo dell’irraggiamento solare e l’analisi delle ombre, che rappresentano un fattore critico nell’installazione e devono essere accuratamente evitati. Con il  software Blumatica Impianti Solari, è possibile gestire e valutare le ombre a partire da un semplice rilievo fotografico e direttamente sul diagramma solare del sito di installazione.

Chiara Manzo

Responsabile Tecnico