Pannello Solare Termico
L'ideazione di pannelli solari termici può risalire all’Impero
Romano che già conosceva un metodo per sfruttare
l'irraggiamento solare per mezzo dell’effetto serra creato
dai vetri con cui venivano chiuse le finestre delle case. Nel
Cinquecento però Leonardo Da Vinci aveva ampliato lo
studio di parabole per concentrare l’energia solare per
applicarlo all’industria dell’epoca; nel Settecento,
Lavoisier riuscì a fondere il platino, il cui punto di fusione è
di 1780 °C, riscaldandolo tramite la concentrazione di
raggi solari.
Pannello Solare Termico
Nel 1767 fu inventato un primo tipo di pannello solare da
Horace-Bénédict de Saussure: una pentola di legno
foderata di sughero nero, utilizzata dagli americani per
cucinare. Essa raggiungeva i 109 °C per mezzo di un
sistema di tre strati nella parte alta della pentola. Nel 1830
in Inghilterra John Herschel perfezionò il sistema ideato
da Horace-Bénédict de Saussure da cui nacque una
tecnica di cottura chiamata oggi solar cooking.
Pannello Solare Termico
L’americano Clarence Kemp brevettò nel 1891 il primo
pannello solare termico per la produzione di acqua calda
sanitaria; questo sistema ebbe un grande successo e si
diffuse facilmente a seguito della crisi energetica del
1973. Dopo la 1 guerra mondiale, a partire dal 1920 negli
USA si diffuse un sistema a circolazione naturale che
forniva acqua calda durante il giorno. Nel 1935, sempre in
America, fu costruito il primo edificio riscaldato tramite un
impianto di pannelli solari termici.
Pannello Solare Termico
Il pannello solare termico (detto anche collettore solare) è
un dispositivo atto alla conversione della radiazione solare
in energia termica e al suo trasferimento, per esempio,
verso un accumulatore termico per un uso successivo,
tipicamente sotto forma di acqua calda, riscaldamento e
in alcuni casi energia elettrica.
Non va confuso con il pannello solare fotovoltaico che
serve invece per la produzione di corrente elettrica.
Schema di un pannello
solare
1) Valvola;
2) Serbatoio di accumulo;
3) Condotto di inserimento;
4) Pannello di assorbimento;
5) Condotto di inserimento dell'acqua fredda.
Tecnologia
Un sistema solare termico normalmente è
composto da un pannello che riceve l'energia
solare, da uno scambiatore dove circola il fluido
utilizzato per trasferirla al serbatoio utilizzato
per immagazzinare l'energia accumulata. Il
sistema può avere due tipi di circolazione,
naturale o forzata.
Circolazione naturale
Nel caso della circolazione naturale a termosifone, per far
circolare il fluido vettore nel sistema solare, si sfrutta la
convezione. Il liquido vettore riscaldandosi nel pannello
solare si dilata e galleggia rispetto a quello più freddo
presente nello scambiatore del serbatoio di accumulo
spostandosi, quindi, nello scambiatore posto più alto
rispetto al pannello solare cedendo il suo calore all'acqua
sanitaria del secondario. Questa tipologia è più semplice
di quella a circolazione forzata.
Circolazione naturale
Non esiste consumo elettrico dovuto alla pompa di
circolazione e alla centralina solare differenziale presente
nel sistema a circolazione forzata. Il fluido vettore usato
nel circuito primario è glicole propilenico atossico
(comunemente conosciuto come antigelo) miscelato con
acqua in una percentuale tale da garantire un'adeguata
resistenza al gelo. Il serbatoio viene disposto ad un'altezza
maggiore di quella dei pannelli solari a cui è collegato e
per ragioni estetiche è del tipo orizzontale ad
intercapedine.
Circolazione naturale
La circolazione naturale, rispetto a quella forzata, risulta
essere più sensibile alle perdite di carico del circuito
primario e vengono, quindi, realizzati sistemi kit compatti
ove il serbatoio di accumulo è situato molto vicino al
pannello solare. Le serpentine possono anche essere due,
nel caso si voglia anche preriscaldare l'acqua del
serbatoio con integrazione ad un termocamino o caldaia.
Si può anche integrare una resistenza elettrica per
riscaldare l'acqua in caso di insufficiente o assente (nelle
ore notturne) irradiazione solare.
Circolazione naturale
Un impianto a circolazione naturale con serbatoio esterno
è adatto in regioni con temperature notturne non rigide.
Attualmente viene fatta molta attenzione all'impatto visivo
di tali sistemi colorando i serbatoi di color tegola oppure
disponendoli direttamente a terra. Questo tipo di impianto
è adatto a famiglie che hanno un risparmio esiguo, in
quanto, non avendo bisogno di energia elettrica o costi
gestione impianto il risparmio è al netto da spese
aggiuntive.
Schema di un impianto a
circolazione naturale
(A) Entrata dell'acqua fredda;
(B) Serbatoio coibentato;
(C) Pannello solare termico;
(D) Radiazione solare;
(E) Uscita dell'acqua calda.
Circolazione forzata
La circolazione del liquido avviene con l'aiuto di pompe
solo quando nei pannelli il fluido vettore si trova ad una
temperatura più elevata rispetto a quella dell'acqua
contenuta nei serbatoi di accumulo. Per regolare la
circolazione ci si avvale di sensori elettrici che
confrontano la temperatura del fluido vettore nel
collettore con quella nel serbatoio di accumulo
(termocoppia). In tali impianti ci sono meno vincoli per
l'ubicazione dei serbatoi di accumulo.
Circolazione forzata
Normalmente, il circuito idraulico collegato al pannello è
chiuso e separato da quello dell'acqua che riscalda,
posizionando una serpentina nel serbatoio come
scambiatore di calore. Le serpentine possono anche
essere due tre o quattro nel caso si voglia anche
preriscaldare il fluido dell'impianto di riscaldamento
tramite l'acqua del serbatoio o integrazione ad un
termocamino o caldaia.
Circolazione forzata
Si può anche integrare una resistenza elettrica per
riscaldare l'acqua in caso di insufficiente o assente (nelle
ore notturne) irradiazione solare. quest'impianto è
consigliato per le zone rigide di montagna e nel caso la
famiglia abbia un notevole risparmio, in quanto, consumi
di energia e costi gestione impianto incidono sul risparmio
dato.
Schema di un impianto a
circolazione forzata
1) Pannello solare;
2) regolatore;
3) Pompa ;
4) Pressostato;
5) Serbatoio d'acqua;
6) Altra fonte di calore (caldaia, pompa di calore ecc.).
Tipologie costruttive dei
pannelli solari
pannelli solari termici piani
non vetrati o scoperti
vetrati
non selettivi
selettivi
ad aria
pannelli solari termici sottovuoto
tubo a U
heat pipe
pannelli solari termici con serbatoio integrato
pannelli solari termici a concentrazione
Pannelli solare termici
piani
Il collettore piano è il sistema più utilizzato per ottenere le
basse temperature, cioè comprese fra i 50 °C e i 90 °C, che
si ottengono facilmente facendo riscaldare al Sole
superfici piane.
Un collettore piano è costituito da:
Una lastra trasparente di vetro (se si tratta di pannelli vetrati), che fa passare le
radiazioni in arrivo e blocca quelle in uscita
Un assorbitore di rame, che è un buon conduttore di calore, in esso sono
ricavati molti canali dove circola acqua o aria (nel caso del pannello piano
vetrato ad aria). Il Sole scalda la piastra, che a sua volta scalda l'acqua o l'aria.
Isolante termico, che impedisce la dispersione di calore.
Pannelli solare termici
piani
I pannelli solari termici piani non vetrati o scoperti sono
privi di vetro; hanno il vantaggio di essere poco costosi e
di avere un ottimo rendimento in condizioni ottimali di
irraggiamento quando la temperatura esterna è alta. A
causa della mancanza dell'isolamento il loro rendimento
diminuisce rapidamente all'allontanarsi dalle condizioni
ottimali. L’acqua passa direttamente all’interno dei tubi
del pannello dove viene riscaldata dai raggi solari ed è
pronta per essere usata.
Pannelli solare termici
piani
Il limite di questi pannelli è che, non essendo coibentati,
funzionano con una temperatura ambiente di almeno 20 °C
(al di sotto il bilancio tra energia accumulata ed energia
dispersa è sfavorevole), e la temperatura massima
dell’acqua non supera i 40 °C. Sono adatti perciò al solo
uso stagionale ed esclusivamente per la produzione di
acqua calda sanitaria, sono spesso impiegati nel
riscaldamento delle piscine.
Pannelli solare termici
piani
I pannelli solari termici piani vetrati ad acqua hanno una
struttura attorno all'assorbitore che ne limita le
dispersioni sia per convezione con l'aria che per
irraggiamento dato che il vetro che ricopre la parte
superiore dell'assorbitore è progettato per questa
funzione. I pannelli solari termici vetrati selettivi
consistono in un particolare trattamento dell'assorbitore
che lo rende più ricettivo al calore, per questo sono più
efficienti nei periodi meno favorevoli, mentre quelli non
selettivi hanno semplicemente l'assorbitore colorato di
nero in modo da attirare maggiormente la radiazione
solare.
Pannelli solare termici
piani
I pannelli solari termici piani ad aria fanno circolare al
loro interno aria anziché acqua. L’aria viene fatta circolare
tra vetro e assorbitore o, in alcuni casi, in una
intercapedine ricavata tra l’assorbitore ed il fondo di
poliuretano isolante. Questi ultimi sono studiati in modo
tale che l'aria permanga più tempo possibile nel pannello
solare poiché scambia più difficilmente il calore rispetto
all'acqua.
Pannelli solare termici
piani
I pannelli solari termici sottovuoto sono in grado di
garantire un maggiore apporto energetico anche in
condizioni di basso irraggiamento o basse temperature
esterne, esistono principalmente due tipi di collettori
sottovuoto, detti anche collettori a tubi sottovuoto, quelli
che contengono un tubo a U in cui circola direttamente il
liquido che assorbe il calore e quelli Heat pipe che
contengono un tubo in rame chiuso alle estremità
contenente un liquido in bassa pressione che evapora
riscaldandosi e si condensa nella parte alta del tubo
cedendo il calore all'acqua sovrastante.
Utilizzi
Fornire acqua calda e riscaldamento
In questo caso il serbatoio provvede a immagazzinare l'acqua
domestica che viene messa a contatto con il fluido tramite una
serpentina. La serpentina consente al fluido di trasferire all'acqua
l'energia immagazzinata senza contaminare l'acqua. Questa acqua
può essere utilizzata come acqua calda nelle abitazioni
(80%integrazione) o può essere utilizzata per integrare il
riscaldamento a pavimento degli ambienti (10% integrazione). I
pannelli solari termici sono in grado di fornire acqua calda in buone
quantità ma non possono sostituire completamente gli usuali metodi
di riscaldamento per via dell'incostanza dell'energia solare.
Utilizzi
Generare energia elettrica
In questo caso prevede che lo scambiatore di calore sia riscaldato
fino ad essere portato in ebollizione. Una volta che il liquido sia
passato in fase gassosa lo si invia in una turbina termoelettrica che
convertirà il movimento del gas in energia elettrica. Questo tipo di
impianto è detto solare termodinamico e richiede ampi spazi per
l'installazione dei pannelli solari e una presenza di sole costante.
Esempi di queste centrali sono state installate nei deserti e una
centrale di questo tipo è stata progettata ed è in attesa di avvio
della realizzazione in Sicilia (vedi progetto Archimede). Questi
esperimenti non hanno avuto molto successo per via degli alti costi
di realizzazione e di mantenimento rapportati alla bassa potenza
elettrica generata.
Costo
In Italia un impianto in base all'ubicazione e
all'utilizzo, si ammortizza nel giro di 5-10 anni e
poiché la durata media di questi impianti è di 1520 anni ne consegue che è un buon investimento
a medio termine, escludendo eventuali sgravi
fiscali o altre forme di agevolazione che rendano
l'ammortamento più rapido.
Benefici
L'utilizzo dei pannelli solari per il riscaldamento
dell'acqua, andando a sostituire una caldaia o uno
scaldabagno elettrico ha come diretta conseguenza il
risparmio di idrocarburi e di energia elettrica.
Inoltre:
mancata emissione di CO2;
produzione di calore da fonte rinnovabile eco-compatibile (il
sole);
minore necessità di infrastrutture per il trasporto dell'energia
da grandi distanze;
Benefici
indipendenza energetica (non dipendono dalla fornitura di
carburante);
mancata emissione di ossidi di zolfo, di azoto, e di pm10;
indirettamente la diminuzione dei disastri ambientali;
mancata immissione nell'ambiente di calore;
tecnologia accessibile (la forma più semplice consiste in un
tubo metallico colorato di nero);
bassi oneri di realizzazione e smaltimento;
alto rendimento termico.
Impianto Idraulico
L'integrazione di un pannello solare in un impianto
idraulico per la produzione di acqua calda sanitaria
avviene solitamente secondo il seguente schema.
Il tubo di uscita del serbatoio è collegato a poca distanza
ad una valvola termostatica che si occupa di miscelare
l'acqua calda dell'accumulo con l'acqua fredda
dell'impianto mantenendo in uscita acqua a temperatura
costante (40-50 °C).
Impianto Idraulico
Tale valvola è necessaria per tre motivi:
pericolo di ustioni;
dispersione di calore nelle tubature data l'elevata temperatura
(per questo motivo la valvola non dovrebbe essere posta
troppo distante dall'accumulo);
danneggiamento di una eventuale caldaia posta in serie al
pannello solare.
Impianto Idraulico
L'uscita della valvola termostatica è poi collegata ad una
valvola deviatrice detta anche valvola a tre vie. Questa
valvola ha un ingresso e due possibili uscite. A seconda
della temperatura di ingresso si attiva l'una o l'altra uscita,
ma mai contemporaneamente. Si adotta questa soluzione
per far in modo che quando la temperatura è di circa 40 °C
o superiore l'acqua venga direttamente immessa nel
circuito dell'acqua calda sanitaria; in caso contrario viene
inviata all'ingresso di una caldaia istantanea o ad
accumulo, che la scalda fino alla temperatura desiderata
prima di essere immessa nel circuito.
Impianto Idraulico
La suddetta valvola deviatrice può essere azionata
manualmente (valvola manuale), ad esempio nel periodo
invernale o in lunghi periodi di scarso irraggiamento,
oppure può essere controllata meccanicamente da un
piccolo motore azionato da un sensore di temperatura,
solitamente
una
termocoppia,
posto
all'interno
dell'accumulo (valvola elettronica).
Impianto Idraulico
Da notare che la caldaia per la produzione di acqua calda,
da mettere in serie al pannello, deve essere in grado
"modulare" riducendo molto la fiamma se di tipo
istantaneo, (cioè senza accumulo). Nel caso di caldaia ad
accumulo la regolazione della fiamma e la sua accensione
sono pilotate da un sensore di temperatura presente
nell'accumulo, per cui non si richiede nessuna particolare
predisposizione
Pannello Solare Ibrido
Un pannello solare ibrido (più correttamente definito
come collettore PVT, acronimo dell'inglese PhotoVoltaic
and Thermal) è un'apparecchiatura che permette la
conversione dell'energia irradiata dal sole in parte in
energia elettrica e in parte in energia termica coniugando
l'effetto di un modulo fotovoltaico e di un pannello solare
termico (cogenerazione fotovoltaica).
Un pannello solare ibrido è dunque costituito da un
collettore fotovoltaico al quale è associato uno
scambiatore di calore in grado di riscaldare un fluido
grazie alla parte di radiazione solare non convertita in
energia elettrica.
Origini
Sin dall'origine della conversione fotovoltaica, si è notato
che il tasso di conversione della radiazione solare in
energia elettrica dipende dalla temperatura della cella
solare che effettua la conversione, diminuendo
all'aumento della temperatura stessa. Siccome questo
tasso di conversione è nell'ordine del 10-15% (per le
comuni celle al Si cristallino), ne risulta che l'85-90%
residuo si converte in calore sensibile - in pratica si scalda
la cella e quel tasso di conversione può scendere ben al di
sotto del 10%. Ad esempio, per celle policristalline, un
tasso tipico è di 0,47%/°C; in altri termini, un rendimento
del 14% a 25 °C cade all'11% circa a 70 °C.
Origini
Si è quindi pensato di raffreddare le celle, facendo
circolare un fluido freddo che scambi calore con la cella.
Effetto collaterale, e importante, di questa tecnologia è il
calore ceduto dalle celle al fluido che, nel caso di un
liquido, può essere usato in modo analogo a quello che
circola in un pannello solare termico.
Il rendimento energetico totale (ossia sommando il calore
scambiato con il fluido alla conversione fotovoltaica)
supera normalmente il 40%, potendo toccare in condizioni
favorevoli il 50-60%.
Struttura
Come accennato, un collettore PVT è un'associazione di
un collettore fotovoltaico e di uno scambiatore di calore. Il
collettore fotovoltaico è quasi sempre del tipo vetrato, per
riduzione della dispersione termica.
Collettori a camera d'aria frontale
Sfruttano l'effetto serra. Sono usati quasi esclusivamente per
scambio termico con aria.
Struttura
Collettori senza camera d'aria
Il tipo più diffuso. Qui lo scambio termico è effettuato sul retro del
collettore fotovoltaico; è una struttura obbligata nel caso del
raffreddamento a liquido, in quanto lo scambiatore maschererebbe
le celle fotovoltaiche, ed ha comunque il vantaggio di una
collocazione posteriore delle tubazioni di adduzione ed estrazione
del fluido, che altrimenti porrebbero problemi di ombreggiature.
Struttura
Collettori a liquido
Rispetto ad un normale collettore PV, in un collettore a liquido vi è
l'aggiunta di uno scambiatore di calore e della relativa
coibentazione. Questo scambiatore può essere di varie fogge; nei
casi più frequenti è costituito da tubi di rame aderenti, con varie
tecnologie, al backsheet o, in modo più efficace, è costituito da uno
scambiatore di tipo roll-bond in alluminio, che consente una
migliore trasmissione del calore.
Struttura – collettore a
liquido
1 - vetro antiriflesso
2 - pellicola in EVA
3 - piano celle fotovoltaiche
4 - pellicola in EVA
5 - backsheet TPT
6 - scambiatore di calore
7 - coibentazione.
