Collettori solari termici – Anno Accademico 2010-2011- Dip.to Ingegneria del territorio- UNISS
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ENERGIA SOLARE
TECNOLOGIE PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA TERMICA
L’ENERGIA SOLARE
L'energia raggiante emessa dal sole raggiunge la Terra sotto forma di radiazione elettromagnetica con
lunghezza d’onda compresa tra circa 0,2 e 3 µm. Lo spettro visibile comprende le radiazioni con lunghezza
d'onda tra 0,38 e 0,76 µm; le onde di lunghezza inferiore a 0,38 µm sono denominate ultraviolette, quelle di
lunghezza superiore a 0,76 µm sono dette infrarosse.
La potenza della radiazione solare, che incide su una superficie ad essa perpendicolare posta al di fuori
dell'atmosfera terrestre, è praticamente costante durante l’anno ed è pari a 1,35 kW/m² (costante solare).
Nell’attraversare l’atmosfera la radiazione solare subisce fenomeni di diffusione -dovuti al pulviscolo ed al
vapor acqueo- che limitano i valori massimi captabili a livello del suolo a circa kW/m². Tale valore corrisponde
alla potenza solare massima captabile da una superficie al livello del suolo, perpendicolare ai raggi solari, con
sole allo zenit e in condizioni di atmosfera perfettamente limpida.
La radiazione solare che raggiunge la terra varia nel corso dell’anno a causa della forma ellittica dell’orbita
terrestre intorno al sole e dell’inclinazione dell’asse della terra rispetto al piano orbitale, al mutare delle
stagioni. Ciò influisce sia sulla durata del giorno, sia sull’inclinazione con cui i raggi raggiungono la terra. A
maggiore inclinazione (situazione invernale) corrisponde uno spessore maggiore di atmosfera attraversata e
quindi una minore intensità solare al suolo. Inoltre la radiazione solare è influenzata dalle perturbazioni
meteorologiche e dalle condizioni climatiche del luogo considerato. Queste indicazioni sono essenziali per
definire in fase di progetto l’orientamento migliore delle superfici captanti di un impianto solare.
Si distinguono:
radiazione diretta o collimata: la componente proveniente dal sole senza nessuna deviazione. Genera
ombre nette.
radiazione diffusa: la componente che ha subito deviazioni o diffusioni nell’attraversamento
dell’atmosfera. Non genera ombre.
radiazione globale: la somma della radiazione diretta e diffusa
Nelle giornate limpide (senza nuvole) la frazione diffusa costituisce il 20% circa della radiazione globale,
salendo al 100% nelle giornate completamente coperte.
Col termine radiazione solare si indica sia la potenza termica istantanea (W/m2) sia l’energia fornita dal
sole in periodi di tempo più o meno lunghi (MJ/m2 giorno, MJ/m2 anno).
Il termine insolazione o eliofania indica invece il n° di ore giornaliere o mensili a annue in cui è presente
radiazione diretta.
Quanto finora esposto evidenzia i due problemi principali che vanno risolti e affrontati nello studiare
tecnologie di sfruttamento dell’energia solare:
la bassa intensità energetica , per cui sono necessari spazi
relativamente grandi allo scopo di raccogliere questa energia. Il
potenziale annuo massimo alle nostre latitudini (l’Italia è compresa
tra 37° e 47°) va da 4500 a 5560 MJ/m2 anno, pari a 110-130 kg di
gasolio.
la variabilità, dovuta all'alternarsi del dì e della notte e dall'alternarsi
delle stagioni (quest'ultimo aspetto diviene rilevante nelle zone
temperate). Ciò condiziona la copertura dei fabbisogni delle diverse
utenze che, rispetto alla disponibilità della fonte, possono avere un
andamento inverso (riscaldamento ambientale), costante (lavaggio
impianti), stagionale (essiccazione prodotti).
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Tab. Valori medi giornalieri della radiazione solare sul piano orizzontale (MJ/m2) per alcune località italiane
Località
Gen
Feb
Mar
Apr
Mag
Giu
Lug
Ago
Set
Ott
Nov
Dic
Alghero
Bologna
Bolzano
Brindisi
Cagliari
Genova
Milano
Napoli
Olbia
Roma
Trapani
Ustica
6,4
4,6
4,3
5,2
6,5
4,6
3,1
4,9
5,7
6,0
6,6
7,1
8,6
6,9
6,7
7,7
8,9
6,5
5,6
6,9
8,2
8,3
9,2
9,7
12,9
10,3
10,3
10,5
12,6
10,3
9,3
9,5
11,5
12,0
12,8
12,9
16,9
15,7
13,5
14,8
16,1
13,8
13,4
13,2
15,3
16,2
16,0
17,1
21,4
18,3
16,2
18,1,
19,5
17,0
16,1
16,6
19,0
20,0
19,5
19,5
22,6
19,7
17,3
19,5
20,3
18,6
17,8
18,5
20,1
21,6
20,7
19,8
24,4
20,0
17,4
19,7
21,7
19,2
18,1
18,7
21,5
22,3
21,4
20,8
20,8
17,4
15,1
17,7
19,2
16,6
15,5
16,4
18,4
19,5
19,1
20,8
16,2
13,2
12,1
13,6
14,9
12,4
11,7
12,6
14,1
14,9
15,4
15,4
11,0
8,6
7,9
9,5
10,6
8,3
6,9
9,2
9,4
10,5
11,1
10,9
6,4
4,2
4,2
5,9
6,7
4,7
3,3
5,5
6,0
6,2
8,3
7,9
4,9
3,5
3,3
4,4
5,1
3,8
2,5
4,1
4,6
4,8
5,7
5,6
ORIENTAMENTO DELLA SUPERFICIE CAPTANTE
Una superficie riceve il massimo degli apporti quando i raggi solari incidono perpendicolarmente su di essa.
La posizione del sole varia però durante il giorno e durante le stagioni, quindi varia anche l’angolo con il quale
i raggi solari colpiscono una superficie. Gli apporti dipendono dunque dall'orientamento e dall'inclinazione
delle superfici. Poiché alle nostre latitudini l’altezza del sole è maggiore in estate che in inverno, a parità
d’irraggiamento, una superficie orizzontale riceve la maggiore quantità d’energia in estate, quando la
posizione del sole è alta e i giorni sono più lunghi, mentre una superficie verticale esposta a Sud riceve più
apporti in inverno che in estate, circa 1,5 volte in più di una superficie orizzontale.
L’orientamento migliore di una superficie verticale o inclinata che deve captare gli apporti solari è pertanto
quella verso sud.
Incidenza della radiazione diretta sul piano orizzontale
Incidenza della radiazione diretta sul piano verticale
orientato verso sud
Per stabilire il più corretto angolo d’inclinazione di una superficie captante bisogna tener conto dei dati
disponibili sulla radiazione solare al suolo (giorno medio mensile) e saperli valutare in base alla stagionalità e
alla latitudine.
Per gli impianti ad uso prevalentemente estivo si consigliano inclinazioni pari alla latitudine del luogo
meno 20-30°.
Per un uso prevalentemente invernale le inclinazioni devono essere pari alla latitudine più 10-15°.
Nei periodi intermedi (aprile-settembre) si consigliano inclinazioni pari alla latitudine meno 15-20°.
Per un uso annuale è consigliabile un’inclinazione pari alla latitudine meno 10°.
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TECNOLOGIE SOLARI TERMICHE
Si basano sull’impiego dei collettori o pannelli solari, dispositivi che convertono l’energia solare in energia
termica, e che si differenziano dai pannelli fotovoltaici che convertono direttamente l’energia solare in energia
elettrica.
Le tecnologie solari termiche possono essere a bassa (BT), a media (MT) ed alta temperatura (AT).
I sistemi a bassa temperaturautilizzano collettori solari piani per riscaldare un fluido, come acqua o aria, a
temperature di lavoro normalmente al di sotto dei1 00 °C (raramente si può arrivare a 120 °C). Lo scopo è
captare e trasferire energia solare per produrre acqua calda o per il riscaldamento ambientale.
Per raggiungere temperature superiori risulta necessario ricorrere a collettori concentratori per la
trasformazione della radiazione concentrata su aree dimensionalmente limitate. La più comune tra le
applicazioni a media temperatura è rappresentata dai forni solari, che richiedono la concentrazione dei raggi
solari per raggiungere temperature maggiori di 250 °C. 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. I sistemi ad alta temperatura (solare termodinamico) riguardano per lo più 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.
A queste tecnologie, definite attive in quanto includono elementi costruttivi specifici quale il collettore solare, i
sistemi di circolazione e di controllo, si aggiungono le tecnologie solari passive che sfruttano elementi
architettonici degli edifici per immagazzinare l’energia del sole e impiegarla per la climatizzazione ambientale
(pareti vetrate, muro di Trombe, serre solari).
Le applicazioni solari termiche più largamente diffuse sono quelle a bassa temperatura, basate sull’impiego di
collettori piani: nel mondo sono installati oltre 30 milioni di m2 di pannelli solari piani, di cui 3 milioni nella UE.
In Italia la diffusione dei pannelli solari per la produzione di acqua calda può essere ancora molto potenziata:
nel 2000 sono stati installati circa 25.000 m2, assai pochi anche rispetto a paesi più freddi ma più sensibili alle
problematiche ambientali, come ad esempio l’Austria, dove sono installati circa 200 m2/1000 ab, circa 40
volte il dato italiano.
Il parco del solare termico in Italia è oggi di circa 400.000 m2, per la maggior parte a servizio di utenze
domestiche, di impianti a prevalente utilizzo estivo ed delle piscine.
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. 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.
IL COLLETTORE SOLARE PIANO
I collettori piani (ad aria o ad acqua) trasformano l’energia solare nella sua intensità originaria ed usano la
radiazione diretta e la radiazione diffusa. Le temperature di lavoro sono di norma inferiori a 100 °C
Gli elementi strutturali che compongono un pannello solare sono:
la piastra assorbente (assorbitore), normalmente scura, realizzata con materiale buon conduttore di
calore (rame, acciaio o alluminio anodizzato), che provvede ad assorbire la radiazione ed a trasferire
l’energia captata ad un fluido termovettore;
la copertura trasparente, costituita da una o due lastre di vetro o di materiale plastico, posta al di sopra
della piastra assorbente con la funzione di limitarne gli scambi termici convettivi e radiativi con
l’atmosfera e, quindi, minimizzare le perdite di energia
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il circuito del fluido termovettore costituito da tubi a contatto diretto con l’assorbitore nel caso di
collettori ad acqua (di solito acqua e antigelo) o canali nel caso dei collettori ad aria, in cui si immette il
flusso dell’aria;
lo strato di isolante atto ad isolare termicamente il fondo ed i lati del collettore contenendo le dispersioni
per conduzione verso l’esterno
l’involucro esterno, con funzione di contenimento e protezione dalla polvere, umidità ed agenti
atmosferici.
La copertura trasparente oltre ad avere una buona trasmittanza () alla radiazione a corta lunghezza
d’onda lasciando passare il massimo della energia radiante, deve bloccare la radiazione riemessa
dall’assorbitore quando si riscalda (infrarosso lungo), realizzando così un buon “effetto serra”. I materiali
impiegati devono avere caratteristiche ottiche stabili nel tempo ed una certa resistenza meccanica.
Il vetro è il materiale d’elezione per le migliori caratteristiche ottiche, con valori di trasmittanza che arrivano al
96%, ma ha come limiti la fragilità meccanica ed il peso, così come il cristallo temperato. I materiali plastici
utilizzati, quali la vetroresina (problema dell’ingiallimento), i polietileni (flessibili), i policarbonati alveolari,
hanno il vantaggio di essere infrangibili e leggeri, ma hanno caratteristiche ottiche inferiori.
Considerato che la maggior parte delle perdite di calore avviene attraverso la copertura trasparente, si stanno
studiando elementi plastici trasparenti (TIM, Transparent Insulating Materials) caratterizzati da una struttura
geometrica particolare che limita fortemente tali perdite senza compromettere la trasparenza alla radiazione
solare del collettore ed incrementa notevolmente l’efficienza del sistema.
L’assorbitore deve avere un’elevata assorbanza (), definita come rapporto fra la radiazione captata e
quella totale incidente, ed una bassa emittanza ) caratteristica legata alle perdite di calore per
irraggiamento infrarosso. Per migliorare il trasferimento di calore, la conformazione della piastra deve
garantire il maggior contatto possibile tra piastra e fluido di lavoro ed il materiale con cui è fabbricata deve
avere una buona conducibilità termica. Fra i metalli già citati, il più comune è il rame, sia per la piastra che
per le tubazioni, data l’alta conduttività termica, la facilità di lavorazione e la resistenza alla corrosione.
Al fine di potenziarne al massimo la capacità di assorbimento della radiazione incidente, la piastra metallica è
verniciata di nero o trattata con apposite vernici selettive che consentono di assorbire fino al 95-98% della
radiazione solare e di contenere l’energia radiante al 12-20%. Per applicazioni a bassa temperatura si
impiegano anche materiali plastici (elastomeri, polipropilene), che pur avendo minor conducibilità di calore,
sono economici ed adatti per collettori semplificati di grandi dimensioni.
Per l’isolamento termico si utilizzano, generalmente, poliuretano espanso con densità di 35 kg/m3, propilene
o lana di roccia. Di norma è sufficiente uno spessore di 4-5 cm di materiale isolante per limitare le perdite di
calore da questi lati. Inoltre è necessario impiegare un materiale stabile alle alte temperature (se il fluido non
circola si può raggiungere una temperatura di 100 °C) e poco igroscopico.
Il contenitore è tipicamente realizzato con una scatola assemblabile di acciaio, alluminio, legno o materiale
plastico. Nel caso di collettori integrati nella copertura del tetto il contenitore potrebbe essere costituito dalle
stesse strutture del tetto.
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PRINCIPALI TIPI DI COLLETTORE SOLARE
La classificazione si basa sul tipo di fluido scaldato aria, acqua), sulla tipologia costruttiva, sulla modalità di
scambio del calore.
In base a quest’ultima caratteristica si distinguono che prevedono l’uso di un fluido ausiliario chiuso in circuito
sistemi diretti o aperti in cui il collettore riscalda il fluido -l’acqua o l’aria- impiegato all’utenza. Questa
soluzione, negli impianti ad acqua è ormai desueta, e sopravvive i sistemi ad accumulo integrato per utenze
di piccola taglia.
Le principali soluzioni costruttive dei pannelli presenti sul mercato italiano sono:
i collettori vetrati, molto comuni, di costo medio e assai versatili;
i collettori scoperti, realizzati con tubi in materiale plastico; hanno il vantaggio di essere molto
economici, ma forniscono prestazioni soddisfacenti solo se utilizzati per impianti funzionanti nel periodo
estivo, quando la grande disponibilità della fonte solare sopperisce alla loro bassa efficienza;
i collettori sottovuoto ad alta efficienza; riducendo al minimo la presenza di aria nell’intercapedine, è
possibile evitare le perdite dovute ai moti convettivi. Sebbene più costosi rispetto alla media, tali collettori
permettono buone prestazioni anche con climi rigidi, raggiungendo temperature più elevate;
i collettori ad accumulo integrato ove, al posto dei tubi, si utilizzano veri e propri contenitori per acqua
ai quali è affidata la duplice funzione di serbatoio ed elemento assorbente
COLLETTORI SOLARI AD ARIA
I collettori solari ad aria si differenziano da quelli ad acqua per il fatto che in essi il fluido di lavoro è costituito
da aria. I campi d’applicazione per tali impianti sono tipicamente quelli del riscaldamento dell’aria per la
climatizzazione ambientale e, in campo industriale, per i processi d’essiccazione di prodotti alimentari. Nel
campo della climatizzazione ambientale si ha il vantaggio di poter inviare l’aria direttamente all’ambiente
senza scambiatori di calore intermedi. Ciò consente un notevole incremento 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 di solito il percorso è tortuoso, per rallentare il flusso dell’aria. Inoltre la veicolazione dell’aria richiede
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maggiori investimenti per via delle dimensioni dei canali e del sistema di pompaggio. 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, ma con standard costruttivi semplificati e meno sofisticati.
Per l’accumulo, se necessario, si può ricorrere a scambiatori aria/acqua collegati ad un serbatoio d’acqua,
oppure letti di ciottoli posti in contenitori isolati ed attraversati dal flusso d’aria proveniente dai collettori.
In campo agricolo sono state studiate soluzioni semplificate a servizio di essiccatori aziendali, basate su:
collettori integrati nei tetti (tetti solari) ottenuti dall’annerimento della copertura del tetto e dalla posa di
una copertura trasparente, delimitando un intercapedine per il passaggio dell’aria movimentata da un
ventilatore. L’incremento termico medio che l’aria subisce va da 5 a 15 °C circa, a seconda delle
caratteristiche del collettore
tunnel-collettori, realizzati con film plastici trasparenti, in cui la funzione di assorbitore è svolta dal terreno
o da un film plastico nero posto su di esso;
collettori tubolari, ottenuti con una guaina di plastica nera mantenuta in pressione da un ventilatore
premente. La guaina va vincolata al suolo e, se si tratta di zone molto ventose, zavorrata all’interno.
RENDIMENTO DEI COLLETTORI SOLARI
Il rendimento o efficienza di captazione di un collettore solare è dato dal rapporto tra l’energia uscente, cioè
fornita dal collettore, e l’energia solare incidente.
Si distingue un rendimento istantaneo – definito dal rapporto fra potenze – ed un rendimento medio – dato
dal rapporto fra energie calcolate su base giornaliera, mensile o annuale.
Il rendimento istantaneo dei collettori solari termici diminuisce con l’aumentare della differenza t (°C) fra
temperatura media di lavoro del fluido (Tm) e temperatura ambientale (Ta) in quanto sono maggiori le
dispersioni termiche, ed aumenta all’aumentare dell’intensità della radiazione solare incidente (I, W/m2).
Il rendimento segue una legge sperimentale del tipo (Legge di Bliss):
c = C1 -
C 2 (Tm Ta)
I
Dove
C= costante dipendente dalle caratteristiche ottiche del collettore
C2= costante legata all’efficacia dell’isolamento.
Questa relazione mette in evidenza alcuni aspetti:
quando la Tm=Ta, come nel caso dei collettori ad aria senza riciclo di flusso nel collettore, c= C1, ossia
il rendimento è costante e non varia con le condizioni ambientali, ma dipende solo dalla caratteristiche
costruttive del collettore.
il collettore solare piano trasforma più efficientemente la radiazione se opera a bassa temperatura
Ad esempio, per collettori che operano a bassa temperatura con ottime prestazioni, i cui valori delle costanti
valgono C= 0,75 e C2=4,5, si ottiene
c = 0,75 -
4,5 (Tm Ta)
I
ove I è l’intensità della radiazione media sul collettore espressa in W/m.
Così, ad esempio, con un irraggiamento di 700 W/m2, tipico di una giornata estiva con cielo sereno, per un
t =40 °C, il rendimento medio del collettore si aggira sul 50%.
Con unt=20 °C, invece, esso sale al 62%.
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IMPIANTI SOLARI PER LA PRODUZIONE DI ACQUA CALDA
Un impianto solare è costituito dalla superficie captante (collettori) e da una serie di dispositivi -serbatoio di
accumulo e sistema di circolazione del fluido termovettore - che consentono di soddisfare alle diverse
esigenze energetiche.
Oltre ad un’efficiente captazione dell’energia radiante, un impianto solare dovrà permettere di superare lo
sfasamento temporale fra disponibilità e fabbisogni ed essere integrato con tecnologie tradizionali per
garantire una copertura adeguata dell’utenza.
Impianti per piccole utenze
L’impianto più diffuso è quello indiretto a circolazione naturale (detto “a termosifone”), nel quale il serbatoio
d’accumulo è posto al disopra del collettore stesso. In presenza d’irraggiamento solare, la temperatura del
fluido che attraversa le tubazioni interne al collettore aumenta progressivamente. La differenza di temperatura
che si crea tra il fluido freddo in ingresso e quello più caldo e più leggero contenuto nella parte alta del
collettore, genera un moto convettivo che tende a portare in alto il fluido più caldo. Grazie alla posizione
elevata del serbatoio, il fluido riscaldato nel collettore raggiunge autonomamente il serbatoio di accumulo,
senza bisogno di impulsi esterni: si auto-regola fino al riscaldamento completo dell’acqua contenuta nel
serbatoio d’accumulo. Nel caso di giornate nuvolose, la sola radiazione diffusa non è sufficiente ad attivare la
circolazione naturale.
Gli impianti a circolazione naturale vengono offerti come un’unità premontata fissata su una struttura di
supporto oppure vengono integrati nel tetto. Il riscaldamento ausiliario può essere ottenuto con una resistenza
elettrica inserita nel serbatoio oppure con una caldaia istantanea a valle del serbatoio.
Negli impianti a un solo circuito (sistemi diretti) l’acqua sanitaria viene fatta circolare direttamente all’interno
del collettore; un altro sistema particolarmente adatto alle piccole utenze è quello dei collettori ad accumulo
integrato,in cui lo stesso collettore funge anche da serbatoio di accumulo. I tubolari presenti al suo interno
sono, infatti, di dimensioni notevolmente superiori ai tubi della classica serpentina e l’acqua rimane al loro
interno dal momento in cui entra nel collettore fino a quando non viene richiamata dall’utenza. Anche se il
solo collettore risulta d’ingombro senz’altro maggiore di quelli visti in precedenza (20-40 cm di spessore
contro 5-10 cm dei collettori tradizionali), l’eliminazione del serbatoio d’accumulo esterno costituisce un
evidente guadagno in termini di semplicità dell’impianto e di riduzione dei costi. La maggior semplicità
dell’impianto è però pagata in termini di efficienza termica del collettore, che resta in genere inferiore a quella
degli altri tipi visti a causa delle maggiori perdite di calore riscontrate in tali pannelli durante la notte. A ciò si
devono aggiungere gli inconvenienti tipici dei sistemi diretti (accumulo di calcare e congelamento dell’acqua).
Impianti per utenze medio-grandi
Nel caso d’impianti di taglia medio-grande (con superficie captante utile >10 m2) la difficoltà d’installare
accumuli di grosse dimensioni sulla sommità dell’impianto, fa preferire lo schema a circolazione forzata che,
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seppur penalizzante in termini di complessità dell’impianto, permette lo svincolamento completo del
posizionamento dei collettori e del sistema di accumulo.
Quando si rende necessario soddisfare un fabbisogno giornaliero di 10-20.000 l/giorno di acqua calda, come
nel caso di stabilimenti agro-industriali, si può ottenere con un impianto solare di grossa taglia una notevole
riduzione delle spese energetiche e un tempo di ritorno economico dell’investimento di pochi anni.
Il serbatoio d’accumulo è normalmente centralizzato e collocato all’interno dell’edificio. In questo caso, la
circolazione tra i collettori installati sulla copertura (circuito primario) ed il serbatoio avviene per circolazione
forzata grazie all’impiego di una pompa centrifuga. La cessione del calore dal fluido termovettore (contenuto
nel circuito primario) all’acqua di rete da riscaldare (contenuta nel serbatoio d’accumulo, circuito secondario)
avviene attraverso un apposito scambiatore (“a fascio tubiero” all’interno del serbatoio d’accumulo, o “a
piastre” esterno all’accumulo).
Al fine di garantire un’efficienza di scambio termico ottimale tra circuito primario e secondario, il
funzionamento della pompa di circolazione è gestito da un termostato differenziale. Tale strumento controlla
la differenza di temperatura (T) tra il liquido in uscita dal collettore e l’acqua accumulata nel serbatoio:
quando questa differenza diventa superiore ad un certo numero di gradi prestabilito (ad esempio T = 10 °C),
la pompa entra in funzione inviando il fluido caldo nel circuito primario verso lo scambiatore.
I pannelli solari hanno generalmente dimensioni comprese tra 1,5 e 3 m2; ciò significa che per realizzare
installazioni di taglia medio-grande occorre installare e collegare insieme più collettori. Essi possono essere
collegati in serie od in parallelo. Nel primo caso risultano attraversati dalla stessa portata di fluido che
incrementa la propria temperatura per passi successivi, in ciascun pannello. Nel collegamento in parallelo,
invece, la portata di fluido viene equamente ripartita in ogni collettore mentre in ognuno di essi le temperature
di ingresso e di uscita sono le stesse. Risulta consigliabile installare un contacalorie sui circuiti primario e
secondario per consentire il monitoraggio delle prestazioni del sistema e quantificare l’effettiva produzione di
energia da fonte solare.
Il volume specifico di accumulo, ovvero i m3 di acqua disponibile per m2 di superficie captante, influenza il
rendimento del collettore: un elevato volume manterrà bassa la temperatura di lavoro migliorando il
rendimento, e viceversa.
Quando deve essere garantita la continuità della fornitura, è necessario ricorrere all’integrazione con una
fonte non soggetta a limitazioni (ad es. resistenza elettrica, caldaia a gas, a biomasse). Il sistema più
semplice consiste nell’installare uno scambiatore di soccorso nell’accumulo, facendolo intervenire quando la
temperatura dell’acqua scende al di sotto di un dato limite. In questo però il collettore deve sempre lavorare
ad un valore di temperatura superiore, ciò che ne limita le prestazioni.
Si preferisce perciò installare l’integrazione termica a valle dell’accumulo, in modo da sfruttare integralmente
la fonte solare.
BENEFICI ECONOMICI E AMBIENTALI
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, 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 prende il nome di fattore di
copertura del fabbisogno termico annuo.
Nel Nord Sardegna, ad esempio, per un sistema che ottimizzi il rapporto costi/energia prodotta, questo fattore
non supera il 65%; ciò significa che l’impianto solare è in grado di soddisfare dal 30-40% della richiesta nei
mesi invernali fino al 100% nel periodo estivo. Questo limite è comune a moltissime tecnologie basate su fonti
rinnovabili, il più delle volte caratterizzate da disponibilità aleatoria o periodica.
In ambito agricolo l’acqua calda per usi zootecnici e sanitari è prodotta, per la maggior parte dei casi, con
scaldabagni elettrici o caldaie a gas. La produzione di acqua calda con l’uso di energia elettrica dissipata
dalla resistenza presente all’interno del boiler, risulta come è noto il processo più costoso dai punti di vista
energetico, ambientale ed economico, se confrontato con la produzione di acqua calda con caldaie a gas.
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L’introduzione aggiuntiva di un collettore solare termico, che sostituisca parte della produzione di calore,
comporta benefici ancora maggiori.
Considerando di consumare 150 litri di acqua calda al giorno alla temperatura media di 50 °C ed ipotizzando
di utilizzare acqua acquedotto alla temperatura mediamente di 5 °C, si può calcolare la richiesta energetica
(RE) necessaria:
RE = G . cs . (Tu–Ti) = 150 l/giorno . 4,186 kJ/kg°C . 35 °C = 21.976 kJ/giorno
(5.250 kcal)
Avendo indicato con: G la massa d’acqua da scaldare (kg); cs il calore specifico dell’acqua (kJ/kg°C); Tu la
temperatura di utilizzo (°C); Ti la temperatura dell’acqua, di rete o di pozzo, in ingresso nel collettore (°C).
Produzione di acqua calda con scaldabagno elettrico.
In questo caso l’utilizzo d’energia termica per riscaldare l’acqua comprende una doppia trasformazione. In
una prima fase occorre produrre energia elettrica (tipicamente in centrali termoelettriche, più raramente in
idroelettriche). L’energia elettrica prodotta e trasportata all’utenza, dovrà a sua volta trasformarsi in energia
termica per essere conferita all’acqua.
Per produrre con lo scaldabagno elettrico 21.976 kJ (6,1 kWh termici) sono necessari circa 6,8 kWh elettrici
stimando l’efficienza di conversione della resistenza elettrica pari al 90%. A ciò si deve aggiungere il fatto che
per la produzione di ogni kWh elettrico, vengono consumati dalle centrali elettriche italiane circa 2,7 kWh
sotto forma di energia primaria (rendimento di conversione termoelettrica pari a 0,37).
Considerando questa doppia trasformazione emerge che per produrre 50 litri di acqua calda occorrono 2,7 .
6,8 = 18,36 kWh primari, equivalenti a 66.096 kJ (5.790 kcal). In tal modo solo il 33% dell’energia primaria
consumata viene effettivamente utilizzata dall’utente.
Produzione di acqua calda con caldaia a gas. La produzione di calore ed il conseguente riscaldamento
dell’acqua avviene per combustione diretta del metano. Considerando a titolo prudenziale un rendimento
dell’80%, per produrre 21.976 kJ (5.250 kcal) sono necessari 27.470 kJ (6.560 kcal ossia 7,63 kWh).
Produzione di acqua calda con integrazione caldaia gas/collettore solare termico. Con questa soluzione
integrata, ferme restando le ipotesi sopra enunciate, ed ipotizzando pari al 65% il fattore di copertura del
fabbisogno termico annuo, il consumo di energia primaria (Cen) sarà pari a:
Cen
21.976 kJ
0,35 = 9.614 kJ
0,80
Per quanto riguarda l’aspetto economico, nel valutare l’installazione di un impianto solare il costo dei
collettori solari è poco indicativo, poiché il vero costo deve essere correlato alla quantità di acqua calda
prodotta in un anno.
Considerando un consumo annuo pari a 150 l . 365 = 54.750 l si devono spendere circa 400 € (6,1
kWh . 365 . 0,16 €/kWh) per riscaldare l’acqua con l’energia elettrica e circa 300 € utilizzando il metano. Se
l’impianto solare integra la caldaia a gas per il 65%, il risparmio annuo è di 195 €, sufficiente ad ammortizzare
in circa 5 anni il costo dell’impianto solare. Le agevolazioni statali consentono, inoltre, di detrarre dalle tasse
parte delle spese di acquisto e installazione.
Per valutare i vantaggi ambientali derivanti dall’impiego dei collettori solari a bassa temperatura, un
primo indicatore di confronto fra le diverse tecnologie a disposizione può essere ritenuta la quantità di CO2
mediamente immessa nell’ambiente per produrre, nelle stesse condizioni, acqua calda per usi zootecnici o
sanitari.
In Italia, per produrre un kWh elettrico, le centrali emettono nell’atmosfera in media 0,58 kg di CO2, uno dei
principali gas responsabili dell’effetto serra. Con l’uso della caldaia a metano, nella combustione si formano
solamente 0,25 kg di CO2 per ogni kWh termico. Nel caso d’impianti ibridi solare/gas le emissioni di CO2 si
riducono a circa 0,09 kg (35% di 0,25).
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SISTEMI SOLARI A CONCENTRAZIONE
I collettori concentratori che possono interessare in agricoltura o nelle aree protette sono quelli a
bassa e media concentrazione, cioè quelli per la produzione di acqua ad alta temperatura o di vapore a bassa
pressione, utilizzabili entrambi per la produzione di calore e sia per la produzione di energia meccanica.
Il componente alla base delle tecnologie e dei sistemi solari
termici a concentrazione è il collettore concentratore,
dispositivo che utilizza riflettori o lenti per raccogliere e
convogliare la radiazione solare da una larga superficie verso
un piccola area, detta ricevitore, dove circola acqua o olio
diatermico. Le temperature di lavoro variano da circa 250 °C
fino ad arrivare a valori di 1000-1200 °C, valori che consentono
sia la generazione di energia meccanica ed elettrica, sia usi
industriali diretti. I collettori concentratori possono essere fissi o
dotati di dispositivi elettromeccanici per l'inseguimento del
tragitto del Sole durante l'arco del giorno per migliorarne
l'efficienza di captazione. In relazione alla geometria e alla
disposizione del concentratore rispetto al ricevitore si hanno i
concentratori parabolici lineari, i parabolici a disco, a torre
con ricevitore centrale.
Negli ultimi 5-10 anni, i sistemi solari a concentrazione sono
stati oggetto di profonde innovazioni che ne hanno migliorato le
prospettive, rendendo superati quei luoghi comuni secondo i quali tali sistemi risulterebbero inadatti alle alte
latitudini o inaffidabili a causa di complicati sistemi di inseguimento del moto apparente del sole sull’orizzonte.
I più recenti sistemi solari a concentrazione sono molto diversi da quelli prodotti appena qualche anno or
sono. L’affidabilità sta aumentando e concentrazioni elevate della radiazione solare possono essere ottenute
anche con sistemi completamente statici. L’applicazione dell’ottica senza immagini ha svolto un ruolo
determinante nel migliorare la qualità delle tecnologie utilizzate. Questa disciplina scientifica ha aperto la
strada alla realizzazione di sistemi a concentrazione sempre più versatili, più economici e più efficienti (fino a
3-4 volte) di quelli progettai e costruiti sulla base della più nota e tradizionale ottica con immagini.
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ESERCIZIO
Determinare la superficie captante di un impianto solare destinato alla produzione d’acqua calda
per usi sanitari e zootecnici. Ipotizzare un impianto solare autonomo, con copertura al 00% della
richiesta energetica (RE), ed un impianto integrato, con caldaia a gas, con copertura del 65% della
RE con i collettori solari. I dati di progetto sono i seguenti:
-
Località: Alghero
Periodo d’utilizzo: maggio-settembre
Radiazione media del periodo (Imed): 21,08 MJ/m2.giorno
Utenza: 400 l/giorno di acqua calda
Collettore
-
Orientamento: sud-ovest
Inclinazione: 25°
Temperatura acqua all’utenza (Tu): 45 °C
Temperatura acqua in ingresso (Ti): 15 °C
Temperatura media fluido termovettore (Tm): 38,5 °C
Temperatura media ambientale (Ta): 22,0 °C.
Rendimento collettore
Supponendo di utilizzare un buon collettore il valore del rendimento (c) si ricava dalla relazione:
4,5 (38,5 22)
4,5 (Tm Ta)
c = 0,75 c = 0,75 0,64
650
I
(0,0036 MJ = 1 Wh;
21,08/0,0036 = 5.855 Wh/m2giorno; considerando mediamente 9 h/giorno
d’insolazione: 5.855/9 = 650 W/ m2)
Richiesta energetica
La RE giornaliera si ricava dalla relazione:
RE = G . (Tu-Ti) . cs = kJ
RE = 400 . (45-15) . 4,186 = 50.232 kJ
Copertura RE 100% con fonte solare
La superficie captante dell’impianto solare si ricava dalla relazione:
S=
RE
m2
Imin c
dove RE è in MJ/giorno e Imin è la radiazione minima in MJ/ m2 giorno
S=
50,232
4,9 m2 . 1,15 = 5,6 m2 + accumulo
16,2 0,64
Al fine di tener conto delle perdite del sistema è necessario applicare un coefficiente di
maggiorazione di 1,15 alla superficie dei collettori.
Il volume del serbatoio di accumulo va da 45 a 80 litri/m2 di superficie captante
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Copertura RE 65% con fonte solare
La copertura del 65% della RE con i pannelli solari deve intendersi come valore medio nel corso
dell’anno
RE = 50,232 . 0,65 = 32,651 MJ/giorno
S=
S=
RE
Imed c
m2
Imed è la radiazione media in MJ/m2 giorno
32,651
2,4 m2 . 1,15 = 2,8 m2
21,08 0,64
GLOSSARIO ESSENZIALE
Albedo – Rifrazione della luce solare prodotta dall’ambiente circostante (vedi radiazione
riflessa).
Angolo d’inclinazione – Angolo formato dalla superficie di un pannello col piano orizzontale
(0° quando la superficie è orizzontale, 90° quando è perpendicolare al suolo).
Barile – Unità di misura di volume per i prodotti petroliferi: negli USA equivale 1.159 litri.
Calore – Particolare forma di energia, detta energia termica. Con le unità SI, oggi si misura la
quantità di calore in joule (J) e in chilowattora (kWh).
Calore specifico – Quantità di calore necessaria per far variare di 1°C la temperatura di 1 kg
della massa di un corpo; la sua unità di misura risulta, quindi, un joule per chilogrammo e per
grado centigrado (J/kg°C). Il calore specifico dell’acqua è 4.186,05 J/kg°C (acciaio 486; legno
abete 2.721; rame 389; terra (in media) 1.465; aria (p=cost) 1.008).
Chilocaloria (kcal) – Quantità di calore che deve essere fornita alla massa di un kg di acqua
distillata a 14,5 °C, perché la sua temperatura salga a 15,5 °C sotto la pressione costante di
un’atmosfera. La chilocaloria, un’unità di misura obsoleta, è sostituita dal kJ (1 kcal = 4,186 kJ).
Collettore solare – Dispositivo per la captazione solare e la sua conversione in calore.
Collettore solare ad accumulo – Sono prevalentemente composti da un serbatoio in acciaio
inox che viene esposto direttamente al sole. Il serbatoio dipinto di nero,termicamente coibentato e
coperto da una lastra di materiale trasparente termoisolante, è montato direttamente in una cavità
del tetto in cui si trova uno specchio solare concavo che riflette la luce; vengono collegati
direttamente alla rete dell’acqua fredda e calda senza l’ausilio di scambiatori di calore e pompe e
possono essere collegati ad una caldaia a gas ausiliaria che interviene automaticamente quando la
temperatura scende al di sotto di quella richiesta.
Conducibilità termica (coefficiente di) – Flusso di calore per m2 di superficie che attraversa un
metro di spessore di materiale omogeneo per un grado di differenza fra le due facce. Si esprime in
kJ/m h °C oppure in W/m °C (4,186 kJ/m h °C = 1,16 W/ m °C)
Conduzione (propagazione del calore per) – Si verifica quando il calore passa da punti caldi a
punti freddi attraverso una catena ininterrotta di mezzi materiali, senza provocare trasporto di
materia; la trasmissione del calore ha luogo mediante la propagazione dell’energia cinetica delle
molecole. Uno dei casi di propagazione del calore per conduzione che interessa la tecnica
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(riscaldamento di ambienti) è quello tra due fluidi a temperatura diversa, ma costante, separati da
una parete a facce piane parallele (scambiatore di calore).
Convezione (propagazione del calore per) – E’ caratteristica dei fluidi, dei liquidi e dei gas,
dove il trasporto di calore si effettua mediante un movimento di materia: il calore si propaga da
punti caldi a punti freddi del mezzo fluido perché porzioni di questo si spostano verso i punti più
freddi, creando delle correnti che rimescolano continuamente il fluido e ne mantengono uniforme
la temperatura. Esempio tipico è quello di un vaso d’acqua posto sulla fiamma.
Gallone – Unità di misura di volume per i liquidi. Equivale a 4,546 litri in GB ed a 3,785 negli
USA.
Irraggiamento – Radiazione solare istantanea incidente (quindi una potenza) sulla superficie di
un oggetto. Si misura in kW/m2. L’irraggiamento rilevabile all’equatore, a mezzogiorno in
condizioni atmosferiche ottimali, è pari a circa 1.000W/ m2.
Joule (J) – Unità di misura dell’energia (1 J = 1 W.s) e della quantità di calore ( kWh = 860 kcal
= 3.600 kJ; 1 J=0,000278 Wh; 1 MJ=278 Wh).
Radiazione (propagazione del calore per) – Ha luogo nel vuoto meglio che in qualunque altro
mezzo materiale; è in questo modo che riceviamo il calore dal sole.
Radiazione diffusa – Parte della radiazione solare ricevuta, dopo la riflessione e la dispersione
da parte dell’atmosfera, da un pannello solare (superficie di captazione).
Radiazione diretta – Parte della radiazione solare che colpisce direttamente,con uno specifico
angolo d’incidenza, la superficie di un pannello solare (superficie di captazione).
Radiazione globale – L’insieme della radiazione diretta, della radiazione diffusa e dell’albedo.
Radiazione riflessa – Rifrazione della luce solare prodotta dall’ambiente circostante (vedi
albedo).
Radiazione solare – Energia elettromagnetica che viene emessa dal sole in seguito ai processi di
fusione nucleare che in esso avvengono. La radiazione solare al suolo è misurata in kWh/m2.
Serbatoio solare – Contenitore, adeguatamente isolato per evitare dispersioni di calore,
costituito da due circuiti separati che impediscono il contatto diretto tra liquido termovettore e
acqua da riscaldare.
TEP (tonnellata equivalente di petrolio) – Quantità di energia (convenzionale) sviluppata dalla
combustione di una tonnellata di petrolio: TEP = 107 kcal = 11.630 kWh.
