SOLARE TERMICO
[Tratto dal sito del Ministero dell’Ambiente]
Quadro
sintetico della tecnologia e degli impianti
La
tecnologia per l'utilizzo termico dell'energia solare ha raggiunto maturità ed
affidabilità tali da farla rientrare tra i modi più razionali e puliti per
scaldare l'acqua o l'aria nell'utilizzo domestico e produttivo. La radiazione
solare, nonostante la sua scarsa densità (che raggiunge 1kW/m² solo nelle giornate di cielo sereno), resta la fonte
energetica più abbondante e pulita sulla superficie terrestre. Il rendimento
dei pannelli solari è aumentato di un buon 30 %
nell'ultimo decennio, rendendo varie applicazioni nell'edilizia, nel terziario
e nell'agricoltura commercialmente competitive. L'applicazione più comune è il collettore solare termico
utilizzato per scaldare acqua sanitaria. Un metro quadrato di collettore solare
può scaldare a 45÷60 °C tra i 40 ed i
Le tecnologie per utilizzare l'energia solare per produrre calore sono di tre
tipi: a bassa,
media ed alta temperatura.
Stato
dell'arte
Nel
mondo sono installati oltre 30 milioni di metri quadri di pannelli solari di cui 3 milioni nell'Unione europea.
In Italia l'applicazione dei pannelli solari per scaldare l'acqua può essere
ancora molto potenziata. Nel 2000 sono stati installati circa
Applicazioni
Le
applicazioni più comuni sono relative ad impianti per acqua calda sanitaria,
riscaldamento degli ambienti e piscine; sono in
aumento casi di utilizzo nell' industria, nell'agricoltura e per la
refrigerazione solare. I collettori solari ad aria calda si differenziano da
quelli ad acqua per il fatto che in essi il fluido termovettore è costituito da aria. I campi d'applicazione
per tali impianti sono tipicamente quelli di riscaldamento dell'aria per la climatizzazione ambientale e, in campo industriale, per i processi
d'essiccazione di prodotti alimentari.
Nel campo della climatizzazione ambientale il vantaggio di utilizzare i
collettori ad aria consiste nel fatto che l'aria in essi
riscaldata può essere inviata direttamente all'ambiente senza scambiatori di
calore intermedi. Ciò permette un notevole aumento di efficienza
del sistema, basti pensare che, di solito, con un sistema ad acqua, per
riscaldare un ambiente a 20÷22 °C, occorre portare
l'acqua almeno a 60÷70 °C. Il principio di
funzionamento dei collettori ad aria è pressoché lo stesso di quelli ad acqua,
ma i parametri di dimensionamento variano sostanzialmente, in quanto l'aria
scambia calore con maggiore difficoltà dell'acqua.
Occorre perciò assicurare all'aria un tempo di permanenza più lungo all'interno
del collettore; per questo motivo il percorso di solito è tortuoso, per
rallentare il flusso dell'aria. Per il resto, il collettore ad aria, come
quello ad acqua, è costituito da una piastra captante, una o più coperture
trasparenti e l'isolamento termico.
I collettori solari per piscina possono fornire fino al 100% delle necessità
termiche delle piscine. Sono inoltre i più semplici da installare della
categoria. La combinazione di un sistema di riscaldamento solare e l'utilizzo
di una copertura notturna può accrescere sensibilmente la lunghezza della
stagione balneare con un incremento dei costi gestionali
molto contenuto.
Potenzialità
Possibilità di copertura del fabbisogno energetico annuo
mediante collettore solare termico
Le
tipologie di collettori solari termici variano molto in termini di costo e di
prestazioni. Per di più, essendo l'energia solare una fonte aleatoria sulla
superficie terrestre, i collettori solari termici vanno realisticamente
considerati integrativi rispetto alle tecnologie tradizionali; essi vanno
quindi considerati capaci di fornire direttamente solo parte dell'energia
necessaria all'utenza, energia che altrimenti dovrebbe
essere prodotta dalla caldaia tradizionale. La percentuale di
energia termica prodotta annualmente da un collettore solare termico
prende il nome di fattore di copertura del fabbisogno termico annuo.
A Roma, per un sistema che ottimizzi il rapporto costi/energia prodotta, questo
fattore non supera il 65%. Questo limite è comune a moltissime tecnologie
basate su fonti rinnovabili, il più delle volte caratterizzate da disponibilità
aleatoria o periodica. A causa di ciò, con il crescere delle dimensioni
dell'impianto, cresce il fattore di copertura del carico termico, ma la
relazione tra il costo dell'energia e l'energia
prodotta resta lineare fino al 55%÷60%. Superato questo
valore, il costo continua ad aumentare linearmente con le dimensioni
dell'impianto, mentre l'energia prodotta aumenta meno rapidamente, il che si
traduce in un maggiore costo dell'unità di superficie di collettore. E'
per questo motivo che un collettore solare termico per la produzione di acqua calda sanitaria dimensionato correttamente viene
progettato per soddisfare il 60÷65% del fabbisogno termico.
Paragone
tra diverse tipologie di impianti per la produzione di
acqua calda
In
ambito urbano l'acqua calda sanitaria è per la maggior parte dei casi prodotta
con scaldabagni elettrici o caldaie a gas. La produzione di acqua
calda sanitaria, con l'uso di energia elettrica dissipata dalla resistenza
presente nello scaldabagno, risulta un processo costoso dai punti di vista
energetico, ambientale ed economico, se confrontato con la produzione di acqua
calda con caldaie a gas. L'introduzione aggiuntiva di un collettore solare
termico, che sostituisca parte della produzione di calore, comporta benefici
ancora maggiori. Di seguito vengono analizzati
brevemente gli effetti energetici, economici ed ambientali che l'introduzione
di tre diverse tipologie di impianti per il riscaldamento per acqua sanitaria possono
conseguire, in relazione all'introduzione di un sistema solare termico attivo,
in particolare si analizzeranno le seguenti possibili soluzioni:
1. sostituzione dello scaldabagno
elettrico con un sistema integrato solare/gas
2. integrazione del sistema gas
preesistente con impianto solare
3. integrazione del sistema elettrico
con impianto solare (per impossibilità di sostituzione con sistema gas).
Il
primo caso interessa molte utenze domestiche e pubbliche, di piccola taglia,
che non hanno ancora affrontato la questione e, di
conseguenza, potrebbero essere incentivate, in analogia con i provvedimenti
sulle rottamazioni, ad una sostituzione dello scaldabagno elettrico. Nel
secondo caso l'integrazione del sistema gas preesistente con impianto solare,
prevede un costo di integrazione ridotto al minimo; si
tratta di fatto di utenze che hanno già scelto il gas e potrebbero, con sistemi
solari termici, risparmiare il 60 % annuo di gas combusto. Il terzo caso è relativo a realtà in cui il sistema di riscaldamento non
può che essere elettrico, per ragioni urbanistiche o per la particolarità
dell'utente; per esempio campi nomadi o altre strutture di accoglienza.
Per le tre soluzioni impiantistiche verrà eseguito, a scopo indicativo, un bilancio
energetico ed ambientale (in termini di emissioni di CO²
evitate).
Analisi
energetica: calcolo dell'energia pro capite necessaria
In
media, in Italia si consumano circa
Q = G . cs . (Tu
- Ta ) =
Avendo indicato con:
G, massa d'acqua da scaldare (l)
cs, calore specifico dell'acqua
(kcal/l)
Tu, temperatura di utilizzo, pari a
Ta, temperatura acqua
dell'acquedotto (°C).
Caso
di Produzione di acqua calda con scaldabagno elettrico
In
questo caso, l'utilizzo di energia termica per
produrre acqua sanitaria comprende una doppia trasformazione. In una prima fase
occorre produrre energia elettrica (tipicamente, in centrali termoelettriche,
più raramente in idroelettriche). L'energia elettrica prodotta, poi,
trasportata all'utenza, dovrà a sua volta trasformarsi in energia termica per
effetto Joule per essere conferita all'acqua. Per produrre con uno scaldabagno
elettrico 1500 kcal (1,7 kWh
termici) sono necessari circa 1,94 kWh elettrici,
avendo stimato l'efficienza di conversione dello scaldabagno elettrico pari al
90%. Mediamente, una famiglia di quattro persone utilizza, quindi, 7,74 kWh elettrici al giorno per la
produzione di acqua calda sanitaria. Ma è da considerare che, per la produzione
di ogni kWh elettrico,
vengono consumati dal parco di centrali elettriche italiane, circa 2,54 kWh, sotto forma di energia primaria.
Considerando questa doppia trasformazione da energia primaria in energia
elettrica e da elettrica a termica, emerge che, per produrre l'acqua calda
necessaria giornalmente per soddisfare il fabbisogno pro capite sono necessarie
2,54 . 1,94 = 4,93 kWh
primari equivalenti a 4.240 kcal. In tal modo solo il 35%
dell'energia primaria consumata viene effettivamente
utilizzata dall'utente. Nel caso, poi, di una famiglia di quattro persone, si
arriva a 16.960 kcal/giorno, pari a 17,72 kWh
(termici).
Caso
di produzione di acqua calda con caldaia a gas
Una
caldaia a gas ha ovviamente una resa energetica diretta più alta, perché evita
la conversione più energivora (e più exergivora), che consiste nel passaggio energia termica
-> energia elettrica. Per questo la resa globale si aggira sull'80÷85%. La produzione di calore e il
conseguente riscaldamento dell'acqua sanitaria avviene per combustione diretta
del metano. Nel caso peggiore di rendimento del 80%, per produrre 1500 kcal
sono quindi necessarie in un giorno 1875 kcal (ossia 2,18 kWh). Nel caso di una famiglia di quattro persone si
arriva a 7500 kcal/giorno.
Confronto
di consumi energetici tra i casi esaminati
La
figura seguente mostra il risultato del confronto tra il fabbisogno energetico
necessario per la produzione di acqua calda sanitaria
con uno scaldabagno elettrico, con una caldaia a gas, un sistema caldaia
gas/collettore solare termico ed un sistema scaldabagno elettrico/collettore
solare termico, ferme restando le ipotesi sopra enunciate ed il quantitativo procapite di acqua necessaria.
Si
osserva allora che, nel passaggio dalla soluzione con scaldabagno elettrico a
quella con caldaia a gas integrata da collettori solari, il consumo energetico procapite passa da
Nel confronto tra il sistema basato sull'integrazione di collettore solare con
una caldaia a gas e la caldaia stessa, si nota come il consumo passi da 2,18 kWh, per il caso della sola
caldaia, a 0,87 kWh, per il sistema integrato. Nel
passaggio dal solo scaldabagno elettrico ad uno scaldabagno integrato da
collettori solari, il consumo energetico scende da
Costi
Nel
caso dei collettori solari il costo al metro quadro è, in
realtà poco indicativo, poiché il vero costo deve essere correlato alla
quantità di acqua calda prodotta in un anno. Una famiglia di 4 persone che
consuma 50÷60 litri di acqua calda a persona ogni
giorno, per un totale di 80÷100 mila litri annui spende circa 1 milione per
riscaldare l'acqua con energia elettrica e 750.000 £ se la scalda con caldaia a
metano. Se l'impianto solare integra la caldaia per un 60÷70% il risparmio annuo oscilla tra 500 e 700 mila lire ed in 5 anni si
ammortizza una spesa di 2,5 ÷ 3,5 milioni di lire. Le agevolazioni statali
consentono, inoltre, di detrarre dalle tasse parte delle spese di acquisto e di installazione.
Vantaggi ambientali
Un
primo indicatore di confronto tra le diverse tecnologie a disposizione può
essere ritenuta la quantità di anidride carbonica
mediamente immessa nell'ambiente per produrre, nelle stesse condizioni, acqua
calda sanitaria. Nel corso dell'analisi energetica, si è stimato che il
fabbisogno di energia elettrica di un'utenza monofamiliare (4 persone) per produrre acqua calda
sanitaria con uno scaldabagno elettrico è pari a 7,74 kWh (elettrici) /giorno. In Italia, per produrre un kWh elettrico, le centrali
termoelettriche emettono nell'atmosfera in media
0,58 kg CO² / kWh (elettrico) .7,74 kWh
(elettrici) /giorno =
Questo significa che, per la sola acqua calda sanitaria, utilizzando lo
scaldabagno elettrico, una famiglia immette quotidianamente nell'ambiente
Nel caso di una caldaia a metano, nella combustione si formano
0,25 kg CO² . 6.97 kWh (termici) =
con una media procapite di 0,435 kgCO²/ giorno.
Nel caso di impianti ibridi solare /gas, ossia
impianti solari posti ad integrazione della caldaia a gas, assicurando lo
stesso comfort durante tutto l'arco dell'anno, è possibile risparmiare, a Roma,
il 60% del consumo di gas: la stessa famiglia produrrà, allora, giornalmente
La figura seguente riepiloga le emissioni di anidride
carbonica generate nei diversi casi analizzati. La riduzione delle emissioni di
CO² ottenuta con il sistema ibrido è
notevole soprattutto rispetto al primo scenario: si passa da
[Tratto dal sito ENEL]
Tecnologia
La tecnologia per
l'utilizzo termico dell'energia solare ha raggiunto maturità ed affidabilità
tali da farla rientrare tra i modi più razionali e puliti per scaldare l'acqua
o l'aria nell'utilizzo domestico e produttivo. La radiazione solare, nonostante
la sua scarsa densità (che raggiunge 1kW/m² solo nelle giornate di cielo sereno), resta la fonte
energetica più abbondante e pulita sulla superficie terrestre.
Classificazione degli impianti solari
Una prima classificazione degli impianti può essere effettuata rispetto alla
temperatura di esercizio del fluido termovettore:
sistemi a bassa temperatura (BT), a media temperatura (MT) ed alta temperatura
(AT); in base a questa classificazione si ottengo tipologie di impianti che funzionano
in maniera molto diversa tra loro.
Solare termico a bassa temperatura (BT) - Le tecnologie a bassa
temperatura comprendono i sistemi che usano un collettore solare (pannello
solare) per riscaldare un liquido o l'aria. Lo scopo è captare e trasferire
energia solare per produrre acqua calda o riscaldare gli edifici. Con la
denominazione "bassa temperatura" ci si riferisce a fluidi scaldati al di sotto dei
Solare termico a media Temperatura (MT) - La più comune tra le
applicazioni della conversione a media temperatura è rappresentata dai forni
solari. Essi sono dispositivi che richiedono la concentrazione dei raggi solari
per raggiungere temperature maggiori di
In Italia riguardano una nicchia di mercato relativa all’hobbistica,
mentre possono avere buone applicazioni nei Paesi ove la scarsità di risorse
energetiche è un problema quotidiano. Altre applicazioni di questo tipo possono
essere legate al calore di processo industriale, ma non sono molto diffuse.
Solare termico ad alta temperatura (AT) - Detto anche “solare
termodinamico”, viene utilizzato perlopiù per la
produzione di elettricità: il fluido caldo che si ottiene viene usato per far
muovere una turbina a vapore, e produrre quindi energia elettrica.
Le tecnologie ad alta temperatura più utilizzate sono: gli specchi parabolici
lineari, le torri solari ed i sistemi a concentratori parabolici indipendenti.
Generalmente in queste centrali il fluido viene portato allo stato di vapore
dal calore raccolto sulla sommità di una torre posta al centro di un campo di
specchi oppure all’interno di condotti che percorrono la linea del fuoco di
specchi concentratori parabolici. Successivamente il
fluido si espande evolvendo in un impianto turbo-vapore simile a quelli
utilizzati nella generazione termoelettrica tradizionale.
Impianti con collettori parabolici puntuali o a disco sono stati sviluppati in
Germania, Stati Uniti, Israele e Australia. I recenti sviluppi tecnologici
fanno prevedere un rilancio applicativo di questa tecnologia sia per la
generazione di energia elettrica, sia per la
produzione di calore di processo per l'industria chimica.
Curiosità
In Italia, l'esperienza di maggior rilievo nel solare termico AT è stata
realizzata agli inizi degli anni ottanta con la costruzione della più grande
centrale solare del mondo presso Adrano in provincia
di Catania. L'impianto, chiamato Eurelios, è
costituito da una torre centrale alla sommità della quale
è posta la caldaia riscaldata dalla radiazione riflessa da un campo di specchi.
La centrale ha la potenza di 1 MW.
La compagnia israeliana Solel Solar
Systems ha costruito presso il proprio centro
solare termico di Beit Shemesh
in Israele, un impianto solare di
Le tecnologie della Solel Solar
Systems consentono di produrre calore alle basse,
medie e alte temperature. Nel deserto del Mojave in
California sono impiegate per produrre elettricità nella più grande
centrale termoelettrosolare del mondo da 350 MW. Il
loro uso può essere particolarmente conveniente per il raffrescamento di grandi
edifici come alberghi, ospedali ed edifici commerciali
e industriali.
Solare termico a bassa temperatura
La classificazione dei sistemi BT può essere effettuata secondo diversi aspetti degli impianti.
In base al tipo di fluido usato abbiamo: impianti ad aria, impianti ad acqua e impianti ad altro fluido.
In base al tipo di moto del fluido si dividono tra attivi e passivi, ossia tra
sistemi in cui la circolazione dell'acqua può avvenire per effetto dell'azione
di una pompa (sistemi attivi o a circolazione forzata) o per circolazione
naturale, sfruttando le differenze di temperatura del circuito (sistemi
passivi o a "termosifone"). Nei sistemi a circolazione naturale si
sfruttano i moti convettivi naturali dell’acqua che si instaurano
a causa della differenza di temperatura di masse di acqua adiacenti: le masse
calde, dotate di minore densità, tendono a salire al di sopra di quelle più
fredde.
Un’altra classificazione è basata sul tipo di circuito: sistemi chiusi ed
aperti: sono rispettivamente sistemi in cui il fluido scaldato è chiuso in
circuito e utilizzato per trasferire il suo calore ad un fluido secondario
(mediante uno accumulatore-scambiatore) e sistemi in
cui ciò che viene scaldato è direttamente l’acqua o l’aria che verrà poi
utilizzata dalle utenze (c’è quindi un ricambio continuo del fluido evolvente
nell’impianto).
Impianto
solare termico BT a liquido
Questa tipologia impiantistica è quella più diffusa nelle applicazioni civili;
in particolare gli impianti più diffusi sono quelli attivi (a circolazione
forzata) con circuito chiuso (con accumulo).
Gli elementi essenziali di questo tipo di impianto sono: il collettore
solare, la centralina, il circuito idraulico, il fluido termovettore, la struttura di sostegno ed il sistema di
accumulo.
Il collettore solare (con la sua struttura di sostegno) è solitamente
posizionato sul tetto dell’edificio, mentre la centralina ed il sistema di accumulo sono posti in un locale apposito. Il circuito
idraulico collega questi elementi ed il fluido termovettore
scorre all’interno dell’impianto.
Centralina (sistema di controllo)
Comanda l’avvio e lo spegnimento della pompa di circolazione del
liquido (negli impianti a circolazione forzata). La centralina ha al suo
interno un termostato differenziale dotato di due sonde termiche che rilevano
la temperatura del pannello solare e di quella dell'acqua d'accumulo.
Se la centralina rileva una differenza di temperatura tra le due sonde compresa
nell’intervallo: 5 ¸
• Circuito idraulico
Detto anche circuito solare, comprendente le tubazioni (che trasportano
l’acqua), la pompa di circolazione (negli impianti a circolazione forzata o
“attivi”), le valvole ed il vaso di espansione (per
contenere la dilatazione del liquido solare quando aumenta la propria
temperatura). È un circuito idraulico molto semplice, paragonabile in
complessità a quello di un impianto di riscaldamento.
• Struttura di sostegno
È la struttura metallica che sostiene i collettori solari e che li orienta
secondo la giusta inclinazione rispetto al piano orizzontale; nel caso in cui vengano montati su una struttura orizzontale è infatti
opportuno dar loro la corretta inclinazione.
• Sistema di accumulo
Il sistema di accumulo, detto anche “boiler solare”, ha la duplice funzione di
accumulatore del fluido vettore caldo e di scambiatore di calore tra il fluido
caldo ed il fluido secondario (l’acqua che verrà usata per scopi sanitari od
altri usi dalle utenze).
È un serbatoio che viene solitamente installato nel locale caldaia
dell’edificio. Il posizionamento in verticale
dell’accumulatore consente l’ottenimento di una utile stratificazione termica
(l’acqua riscaldata sarà sempre nella parte più alta del serbatoio, proprio
dove avviene il prelievo), consentendo in tal modo un significativo
miglioramento del rendimento del sistema. Il serbatoio contiene due serpentine
(“scambiatori termici”). Una serpentina (nella parte bassa del serbatoio) fa
parte del circuito solare (entro di essa scorre il
liquido che attraversa i collettori), l’altra ( nella parte alta) è collegata
alla caldaia (o scaldabagno elettrico) di integrazione. Maggiore è la capacità di accumulo e maggiore è il risparmio energetico
conseguibile, perché nella maggior parte dei casi il consumo dell’acqua calda
avviene quando non c’è più sole e quindi è bene poter disporre di una riserva
soddisfacente.
Impianto solare
termico BT a liquido “combinato”
Gli impianti solari combinati sono quei sistemi solari
termici a bassa temperatura che forniscono sia acqua calda ad uso domestico,
sia calore per il riscaldamento degli ambienti interni. I sistemi combinati
sono usati perlopiù in edifici ad uno o due piani, abitati da una o due
famiglie e sono composti da cinque elementi
principali: collettore solare, serbatoio di accumulo, centralina, sistema
ausiliario (gas, biomasse, elettrico, ecc.) ed il
sistema di distribuzione del calore.
La quota di mercato di questi sistemi ha registrato ultimamente notevoli incrementi
(fino al 50% in più) in paesi come Austria, Germania, Danimarca, Olanda e
Svizzera. In altri, come
I sistemi solari combinati hanno interessanti potenzialità di mercato
nell'Italia settentrionale e nelle località d'alta quota degli Appennini centrali e meridionali. Si possono ottenere
risparmi che posso variare nell’intervallo del 15÷50%
sulla domanda totale di calore.
Impianto
solare termico BT ad aria
Nel campo
della climatizzazione ambientale il vantaggio di utilizzare i collettori ad
aria consiste nel fatto che l'aria in essi riscaldata può essere inviata
direttamente all'ambiente senza scambiatori di calore intermedi. Ciò permette
un notevole aumento di efficienza del sistema, basti
pensare che, di solito, con un impianto di riscaldamento ad acqua, per
riscaldare un ambiente a 20÷22 °C, occorre portare
l'acqua almeno a 60÷70 °C. Il principio di
funzionamento dei collettori ad aria è pressoché lo stesso di quelli ad acqua,
ma i parametri di dimensionamento variano sostanzialmente, in quanto l'aria
scambia calore con maggiore difficoltà dell'acqua.
Negli impianti ad aria per accumulare il calore si preferiscono grandi masse
solide di elevata capacità termica e grande superficie
di scambio, come ad esempio un letto di pietre in una fondazione scatolare coibentata.
I punti più deboli dell'impianto ad aria sono i maggiori costi per il trasporto
del fluido (potenza del ventilatore fino al 100% maggiore di quella richiesta
da una pompa per liquido) e per la posa in opera e l’isolamento dei
condotti (più grandi), queste difficoltà possono cadere utilizzando delle
grandi superfici vetrate come "collettori anomali".
Se non si può realizzare un letto di pietre, si ricorre all'impianto ad aria
senza accumulo, da utilizzare solo se la temperatura dell'aria nei collettori
lo permette: l'impianto solare serve così solo a
risparmiare combustibile nelle giornate invernali soleggiate.
Un impianto ad aria che invece fornisce calore ad un letto di pietre è in grado
di immagazzinare l'energia intercettata e non richiesta per fornirla quando c'è
richiesta (anche quando i collettori sono freddi): l'aria calda aspirata
dall'accumulatore può essere utilizzata direttamente per il riscaldamento degli
ambienti e/o per la produzione di acqua calda tramite
uno scambiatore aria-acqua.
Fluido termovettore
Il fluido termovettore
è l’elemento essenziale dei collettori solari, permette di trasportare il
calore ricevuto dl Sole ai sistemi di accumulo e
scambio termico che si è scelto di adoperare; può essere di varia natura: aria,
acqua od altri liquidi.
L’acqua potrebbe essere usato direttamente come acqua calda sanitaria
anche se, solitamente, cede il suo calore (la sua energia termica) mediante uno
scambiatore all’acqua che verrà utilizzata effettivamente dalle utenze. Si usa quasi sempre lo scambiatore di calore per motivi igienici e
poiché l’acqua che circola nel collettore è solitamente addizionata di antigelo
(normalmente glicole etilenico).
Altri liquidi a bassa temperatura di ebollizione vengono usati nei
collettori solari integrati in particolari circuito frigoriferi e nelle pompe
di calore.
L'aria è un fluido vettore che ha diversi vantaggi e svantaggi rispetto
all’acqua.
Tra i vantaggi: il costo zero, l'immediata utilizzabilità per il riscaldamento degli ambienti, nessun problema di corrosione o
congelamento, la semplicità dei sistemi di controllo.
Tra gli svantaggi: il minore aumento della temperatura del
pannello e il ridotto scambio termico con la piastra per il basso calore
specifico dell'aria, che comporta un basso rendimento del pannello.
Per aumentare lo scambio termico bisogna imporre un moto turbolento all'aria
che circola nel collettore, dando un profilo frastagliato e ruvido alla piastra
assorbente, badando però a non indurre grosse perdite di carico che andrebbero
poi compensate con potenti ventole.
Collettore solare
La funzione essenziale
di un collettore è quella di trasferire l’energia radiante del sole al liquido
che scorre all’interno dei tubi.
I principali tipi di collettore a liquido commercializzati in Italia sono:
• vetrati piani: sono quelli più comuni, di costo medio, versatili; gli
elementi essenziali del colletore sono la piastra
metallica assorbente, le tubazioni in cui scorre il fluido termovettore
ed il vetro di copertura.
- Non vetrati: sono adatti solo all’uso estivo, generalmente
usati per le piscine o gli impianti balneari, sono molto economici; sono
realizzati in polipropilene, polietilene, PVC o PDM.
• sottovuoto: sono ad alta efficienza, più costosi, ma ben utilizzabili
durante tutto l’arco dell’anno soprattutto se l’impianto è dedicato al
riscaldamento ambientale. In questo tipo di collettori solari viene praticato il vuoto fra la piastra e la lastra
trasparente di copertura: sono dei tubi di vetro in cui vengono inserite delle
lamine di materiali selettivi e posteriormente a queste, dei tubi metallici in
cui scorre un fluido bassobollente (es. pentano o a
volte acqua) che “trasporta” il calore verso uno scambiatore posto in cima alla
serie dei tubi.
• ad accumulo integrato (ben utilizzabili in zone a clima mite,
abbassano i costi dell’impianto: sono dei particolari impianti che inglobano in
una unica struttura tutti i componenti dell’impianto: collettore circuito
idraulico e sistema di accumulo. Solitamente sono a circolazione naturale: il
serbatoio posto al di sopra del pannello stesso e
l’acqua calda si deposita in esso a causa di moti convettivi naturali che si
instaurano grazie al riscaldamento dell’acqua (gli strati di acqua riscaldata
hanno una densità minore di quella fredda e quindi tendono a “galleggiare” su
questi ultimi: questo movimento delle molecole di acqua è il moto convettivo
naturale).
Collettore solare vetrato piano
I collettori vetrati
piani sono quelli maggiormente diffusi per le applicazioni civili.
Il collettore è costituito dai seguenti componenti:
Copertura trasparente alla radiazione solare, costituita da una o più lastre di
vetro (vetro solare temprato antiriflesso o meno) o di materiali plastici posta
al disopra della piastra assorbente; ha la funzione di ridurre gli scambi
termici convettivi e radiativi tra la piastra assorbente e l’atmosfera.
Piastra assorbente, in metallo (solitamente in rame con o senza trattamenti
superficiali), verniciata di nero opaco per aumentare il coefficiente di assorbimento del materiale; provvede ad assorbire la
radiazione ed a trasferire l’energia raccolta al liquido.
Tubazioni, in metallo, entro cui scorre il fluido vettore;
sono posizionate tra la piastra assorbente e la copertura trasparente.
Isolamento termico al di sotto della piastra, in
pannelli o rotoli di vari materiali (lana di vetro, polietilene, ecc.); ha la
funzione di ridurre al minimo le perdite per conduzione della piastra con la
struttura sottostante (o per convezione con l’aria).
Involucro di forma parallelepipeda con funzione di
contenimento e di protezione da polvere, umidità, sollecitazioni esterne ed
agenti atmosferici; possibilmente in materiali non metallici per diminuire al
minimo le trasmissioni di calore indesiderate.
I collettori solari, per massimizzare
l’energia captata, devono avere un adeguato orientamento (verso sud, od al
limite verso sud-est o sud-ovest) ed una adeguata
inclinazione rispetto al piano orizzontale.
L’inclinazione ottimale dipende dalla latitudine del
luogo in cui devono essere installati e dal periodo temporale per cui si
intende ottimizzarne il funzionamento:
a = L+15° se l’utilizzo
del pannello è prevalentemente invernale;
a = L-15° se l’utilizzo del pannello è prevalentemente estivo;
a = L se si intende ottimizzare il funzionamento dei collettori per tutto
l’anno;
dove a è l’inclinazione del pannello rispetto al piano orizzontale [° sessagesimali],
L è la latitudine della località [° sessagesimali].
Un collettore solare piano è costruito per funzionare come un "corpo
nero":
La piastra assorbe le radiazioni solari e si riscalda, riscaldando a sua volta
il fluido che circola nelle tubazioni a contatto con la piastra. Riscaldandosi,
la piastra emette radiazioni con il massimo d'intensità sulla lunghezza d'onda
stabilita dalla legge di Wien: l = 2897/ T , dove l è la lunghezza d’onda in mm e T la
temperatura in Kelvin; per un collettore questa lunghezza
d’onda è nel campo dell'infrarosso.
Per evitare la dispersione di questa radiazione di corpo nero, il collettore è
solitamente coperto da una lastra di materiale trasparente alla radiazione solare ma opaco agli infrarossi, in modo da creare un localizzato
"effetto serra" (che si riscontra tipicamente entrando in un locale
vetrato esposto al Sole) che fa innalzare molto la temperatura all'interno del
collettore.
Il bilancio termico istantaneo del collettore è, secondo le leggi della
trasmissione del calore, il seguente:
IC*Ac*(ta) = Qa = Qu + Qp
+ Qacc
IC è l’intensità della radiazione solare globale
incidente sul piano del collettore [W/m²].
Ac è l’area del collettore [m²].
(ta) è chiamato prodotto effettivo trasmissività-assorbimento, ed a pari al prodotto del
coefficiente di trasmissione della lastra trasparente t [adimensionale],
ed il coefficiente di assorbimento della piastra a [adimensionale].
Qa , potenza termica assorbita dalla piastra [W]
Qu , potenza termica utile trasferita al fluido termovettore [W]
Qp , potenza ceduta dal collettore verso l’esterno
(energia persa ai fini del riscaldamento) [W]
Qacc , l’energia termica accumulata dal collettore
nell’unità di tempo (Qacc = du/dt) [W]; è nulla in condizioni di regime stazionario.
Il numero di lastre trasparenti da impiegare è un parametro che dipende
essenzialmente dalla velocità e natura del fluido vettore e dalla temperatura
esterna.
Se il fluido circola lentamente, la piastra si scalda
maggiormente e sono necessarie più lastre per trattenere la parte infrarossa
della radiazione.
Se la temperatura esterna è bassa, occorre un numero
maggiore di lastre trasparenti in modo da intercettare buona parte della
radiazione di corpo nero della piastra, riducendo la temperatura della lastra
più esterna e quindi le perdite di calore per convezione e irraggiamento tra la
lastra più esterna e l’aria esterna.
Un aspetto negativo da tenere comunque presente è che
più lastre si impiegano, più radiazione solare assorbono e riflettono, quindi
meno radiazione raggiunge effettivamente la piastra.