La misura dei parametri climatici e dell'irraggiamento al suolo è di fondamentale importanza per la determinazione delle prestazioni e dei rendimenti di dispositivi che utilizzano la radiazione solare per la conversione in energia elettrica (pannelli fotovoltaici) e il riscaldamento di fluidi (collettori solari). In particolare, il monitoraggio del clima permette di valutare l'influenza delle grandezze meteorologiche sul funzionamento di detti dispositivi e i dati di radiazione solare nelle varie componenti forniscono preziose indicazioni sulla predisposizione del sito allo sfruttamento dell'energia solare. E' noto inoltre che, in particolare nel campo del fotovoltaico, la previsione del potenziale di sviluppo di componenti innovativi oggetto di ricerca applicata si fonda su affidabili misure di rendimento sia di singoli campioni di laboratorio che di sistemi assemblati aventi caratteristiche prospetticamente industrializzabili.

Per venire incontro a tali esigenze è stata messa a disposizione del Polo la stazione meteo-solare di Tor Vergata facente parte dei laboratori di Fisica Tecnica Ambientale, diretti dal Prof. Angelo Spena. Alla stazione, gestita dalla Prof. Cristina Cornaro, è stata affiancata ad ottobre 2007 una struttura per il monitoraggio e collaudo di moduli fotovoltaici tradizionali e di nuova generazione come quelli ibridi ed organici oggetto di ricerca del Polo..... è quindi nato il nuovo laboratorio outdoor "ESTER" (Energia Solare TEst e Ricerca) .

LA STAZIONE METEOSOLARE DI TOR VERGATA

Figura 1. La stazione meteo-solare.

La stazione meteosolare di Tor Vergata è collocata sulla copertura dell'edificio della Facoltà di Ingegneria dell'Università di Roma Tor Vergata e acquisisce dati meteorologici e di radiazione solare dal luglio 2003. Una panoramica della stazione è mostrata in figura 1. Il dispositivo è costituito da due unità, una unità meteo che fornisce dati di temperatura, umidità relativa, pressione, velocità e direzione del vento e piovosità ed una unità solare che acquisisce le tre componenti della radiazione solare (diretta, diffusa, riflessa) e la radiazione globale. La figura 2 mostra la strumentazione per l'acquisizione dei dati meteorologici, mentre in figura 3 sono riportati gli strumenti dell'unità solare. Quest'ultima è equipaggiata con un inseguitore solare che è in grado di seguire la posizione del sole durante l'arco della giornata; su di esso sono posizionati gli strumenti per la misura della radiazione diretta e diffusa (piranometro ombreggiato e pireliometro). Una struttura fissa ospita due piranometri per la misura della radiazione globale e riflessa. I dati di radiazione sono acquisiti ogni minuto e scaricati direttamente su PC mentre i dati meteo sono disponibili come dato medio, minimo e massimo su base oraria e giornaliera.

Figura 2. Strumenti dell’unità meteo: a) termoigrometro; b) pluviometro; c) anemometro.

Figura 3. Strumenti dell’unità solare:
A) struttura fissa con sensori di radiazione globale e riflessa;
B) inseguitore solare con sensori per la misura di radiazione diretta e diffusa.

Utilizzando i dati raccolti negli ultimi tre anni è stata effettuata una valutazione della situazione meteo e solare del sito di Tor Vergata. In figura 4 sono presentati gli andamenti annuali pentadici della temperatura media e dell'umidità relativa media (A), i dati relativi ai mm di pioggia mensili (B) e le informazioni riguardanti l'intensità del vento media e massima e direzioni prevalenti nell'anno tipo (C-D).

Figura 4. Andamenti delle grandezze meteorologiche per l'anno tipo per il sito di Tor Vergata;
A) temperatura e umidità relativa;
B) millimetri di pioggia;
C-D) velocità massima e media del vento e direzione prevalente;

I dati di irraggiamento solare istantanei  possono essere rappresentati giornalmente come in figura 5 dove sono mostrati i tipici andamenti in condizioni di cielo sereno ed in condizioni di cielo nuvoloso. I dati istantanei raccolti sono utilizzati per effettuare stime e valutazioni della disponibilità di energia solare al suolo su superfici comunque orientate e per la valutazione di correlazioni empiriche per la previsione di disponibilità di radiazione al suolo. A titolo di esempio in figura 6 è riportato l'andamento della disponibilità di radiazione media giornalieria al suolo su superficie orizzontale valutata mese per mese.

Figura 5. Radiazione solare diretta, diffusa e globale per una giornata di cielo sereno (sinistra) ed una giornata di cielo nuvoloso (destra).

Figura 6. Radiazione globale media giornaliera per ogni mese dell'anno incidente su piano orizzontale a Tor Vergata.

LA STAZIONE DI MONITORAGGIO MODULI DI TOR VERGATA

Nel mese di ottobre 2007, accanto alla stazione meteo-solare è stata installata la nuova struttura per il monitoraggio dei dispositivi fotovoltaici costituita da un inseguitore solare in grado di supportare celle e moduli fotovoltaici e da uno stand orientato a Sud ed a inclinazione variabile che può alloggiare fino a 6 moduli fotovoltaici di grandi dimensioni (fig. 7). I moduli sono monitorati in continua misurandone, oltre alle caratteristiche elettriche anche la temperatura, parametro importante nella valutazione delle efficienze di moduli al silicio e di altre tecnologie. I dati raccolti dalla stazione meteo-solare e da quella di monitoraggio moduli saranno presto disponibili sul sito in tempo reale.

Figura 7. Il nuovo laboratorio outdoor ESTER

Alcune misure preliminari riguardanti il comportamento di celle organiche prodotte da CHOSE sono state recentemente effettuate alloggiando le celle sull'inseguitore solare della stazione meteo-solare. I risultati sono incoraggianti e saranno utili per lo sviluppo delle tecniche costruttive dei dispositivi.