Energie rinnovabili

Solare termico

L’energia solare catturata dai pannelli solari o collettori solari viene impiegata per riscaldare un fluido (generalmente una miscela di acqua addolcita e glicole) circolante all’interno di un circuito chiuso per piccoli impianti per convezione naturale o per impianti più grandi per convezione forzata. In questo caso sarà necessario spendere energia elettrica per il funzionamento delle pompe di circolazione.

Pannelli solari

I pannelli solari si classificano in base al principio costruttivo:

• Pannelli piani: I collettori solari piani sono il sistema di conversione più comune per l’utilizzo a bassa temperatura (50-90°C), cioè per il riscaldamento di un liquido o di aria per produrre acqua calda sanitaria o per il riscaldamento di edifici. Il collettore solare piano è costituito generalmente da una piastra captante che è l’elemento chiave del collettore solare all’interno del quale si converte l’energia raggiante in energia termica. La piastra è collegata a dei tubi, T, in cui scorre il fluido termovettore, generalmente acqua liquida con opportuni additivi (antigelo ed inibitori di corrosione), aria oppure in passaggio di fase. Nei pannelli solari termici piani ad aria, 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. L’aria però ha una densità e un coefficiente di convezione minore dell’acqua, dunque, è necessario farla circolare di più. La geometria è studiata in modo da prolungare il tempo di residenza dell’aria nel pannello, per compensare la minore efficienza dello scambio termico rispetto all’acqua. L'aria calda viene fatta circolare tramite uno o più ventilatori; per questo motivo alcuni modelli di collettore incorporano un piccolo pannello fotovoltaico, indispensabile per alimentare il ventilatore in assenza di collegamento alla rete elettrica.
  • Applicazioni: edifici residenziali, uffici, seconde case, soprattutto per la deumidificazione e la ventilazione degli ambienti e anche in integrazione all'impianto di riscaldamento; essiccazione dei foraggi. Queste soluzioni impiantistiche sono ancora poco conosciute nel nostro paese, mentre hanno una certa diffusione nel Nord Europa.

I materiali di cui sono costituiti la piastra e i tubi sono di solito caratterizzati da un’elevata conducibilità (metalli quali rame, alluminio e acciaio), anche se esistono collettori a bassa temperatura per piscine privi di copertura trasparente in materiale plastico. Il tutto è contenuto in un supporto metallico, S. L’involucro complessivo del collettore deve impedire l’ingresso dell’umidità che può condensare ed aumentare la conducibilità termica del materiale isolante. Questi collettori possono essere vetrati o non vetrati.

• Vetrati: Nel primo caso, una o più lastre di vetro, V (nella figura ne è riportata solo una), sovrastano la piastra metallica, delimitata inferiormente e lateralmente da uno strato di materiale isolante la cui finalità è quella di ridurre le dispersioni di energia termica verso l’ambiente. Tipicamente si utilizzano isolanti minerali, ceramici o plastici.
• Non vetrati: Sono appunto privi di vetro e sono costituiti solo dai tubi ricevitori. Quando c’è molto sole funzionano anche meglio di quelli vetrati perché il vetro comunque rappresenta un ostacolo ma il rendimento si riduce molto quando ci allontaniamo dalle condizioni ottimali. Sono poco costosi ma 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 e per la produzione di acqua calda sanitaria.

Queste tipologie di pannelli possono essere:

• Selettivi: Sono caratterizzati dal fatto che l’assorbitore è trattato con dei prodotti selettivi (titanio) che permettono di allargare il campo di frequenza dello spetto solare nel quale catturano energia (oltre all’infrarosso, anche alle frequenze caratteristiche del cielo nuvoloso) e riducono del 10-15% le dispersioni di calore rispetto a quelli non selettivi. Il prezzo è più elevato, ma hanno il vantaggio di poter lavorare meglio nei periodi più freddi e meno assolati. Per questo motivo possono essere utilizzati anche in integrazione con il sistema di riscaldamento.
• Non selettivi: Sono quelli di prima generazione. L’assorbitore è verniciato di nero in modo da avere una maggiore capacità di assorbire il calore. Sono indicati per le abitazioni estive o per le zone del centro sud che godono di abbondante insolazione.

Pannelli solari semisferici

I pannelli solari vetrati semisferici sono collettori di nuova generazione con componenti analoghi a quelli dei collettori vetrati piani ma configurati e ottimizzati a comporre una configurazione finale semisferica. Questa configurazione consente di avere, a parità di superficie di base del collettore, una superficie captante esposta e livelli di produttività medi sensibilmente superiori rispetto ai modelli piani.

Pannelli solari con serbatoio integrato

Il pannello solare è inclinato (a meno che non ci troviamo all’equatore o a latitudini molto basse dove il pannello è posto orizzontalmente). Questo è collegato a un serbatoio di accumulo all’interno del quale si genera un gradiente termico ossia l’acqua calda si mantiene nella zona superiore e quella fredda nella zona inferiore: si genera così un meccanismo di circolazione naturale, infatti non è presente la pompa. L’acqua fredda esce dalla parte inferiore e alimenta nuovamente il pannello. È presente una valvola per il prelievo dell’acqua calda che avviene dalla zona superiore. Una volta prelevata acqua calda e si riduce il volume, entra acqua dal condotto di inserimento dell’acqua fredda. Questi possono essere vetrati o non vetrati. Il vetro genera un effetto simile all’effetto serra cioè facilita l’ingresso dei raggi.

Pannelli solari sottovuoto

La tecnologia dei pannelli solari sottovuoto è più sofisticata rispetto a quelli vetrati. Questi sono più costosi ma sono in grado di fornire un ottimo rendimento durante tutti i mesi dell’anno in quanto si riducono le dispersioni termiche convettive e sono particolarmente adatti ad essere installati negli edifici residenziali nelle zone ad insolazione medio bassa anche in condizioni climatiche rigide. Questi collettori sono molto simili nei principi di funzionamento ai pannelli vetriati a superficie selettiva e sono detti sottovuoto perché in fase di assemblaggio l’aria viene aspirata e l’involucro è a tenuta. In ciascun tubo vetrato sottovuoto è presente un assorbitore e un tubo in cui scorre il fluido vettore. Il vuoto possiede ottime capacità di coibentazione eliminando completamente le perdite di calore per convezione e le dispersioni poiché l’aria non circonda la superficie captante (stesso principio del thermos).

Il meccanismo di trasporto di calore nei collettori a tubi sottovuoto può funzionare in due modi:

• Tubi a flusso diretto: possono essere installati in qualsiasi posizione, questo significa che le soluzioni possibili possono prevedere il posizionamento in verticale, sia il montaggio orizzontale su tetti piani. Questo sistema è costituito da una serie di tubi di un vetro particolare al cui interno vi sono altri tubi in rame. Il fluido termovettore può essere fatto scorrere in un sistema di tubi coassiali oppure può scorrere attraverso un tubo semplice a U.
  • Nel caso del tubo ad U, l’acqua che entra man mano comincia a riscaldarsi fino all’uscita, dunque, tutta la superficie risentirà del ∆T.
  • Nel caso di tubi coassiali abbiamo un tubo largo con all’interno un tubo più piccolo. All’estremità inferiore quello più largo è chiuso, quello piccolo aperto: l’acqua entra nella corona esterna, scende giù, trova il tappo e ritorna nel tubo più piccolo. L’acqua che scorre nella corona esterna si riscalda e da un lato scambia con l’esterno, dall’altro con l’acqua all’interno, che è più calda e che, a sua volta, non scambierà con l’esterno ma con l’acqua che già un po’ si è riscaldata. Questa disposizione serve per ridurre il più possibile le dispersioni. Tuttavia, avremo una perdita concentrata più elevata ma un ingombro minore rispetto al caso del tubo ad U.
• Tubo a tecnologia heat pipe: è presente un tubo di rame che contiene un liquido, come l’alcool, che evapora già a basse temperature. Questo liquido posizionato all’interno evapora riscaldandosi e si condensa nella parte alta del tubo cedendo il calore all'acqua sovrastante. Hanno però alcuni limiti di installazione: la loro inclinazione ossia l’angolo di tilt sul piano orizzontale deve essere compresa tra 30° e 70°. Tuttavia, questo non è un grosso handicap, poiché la maggior parte delle installazioni nel nostro paese rientrano in questo angolo di inclinazione. I sistemi heat pipe hanno il vantaggio di funzionare anche a basse temperature e in condizioni di tempo nuvoloso.

Rendimento dei collettori solari

Vediamo un diagramma del rendimento per diverse tipologie di collettori al variare delle diverse condizioni di insolazione. Il rendimento dei pannelli non vetrati è il più alto in condizioni di elevata insolazione, ma decade notevolmente in condizioni di scarsa radiazione. I pannelli sottovuoto mantengono rendimenti elevati anche in condizioni di scarsa insolazione. I pannelli piani presentano una riduzione di rendimento in condizioni di scarsa insolazione. Il rendimento dei pannelli non selettivi si mantiene inferiore a quelli selettivi. Il rendimento di un collettore solare è calcolato in generale come ciò che entra diviso ciò che esce. Dunque, il rendimento può essere espresso come rapporto tra l’incremento di entalpia del fluido termovettore caratterizzato ovviamente da una certa portata, un certo coefficiente specifico e una certa temperatura e l’energia solare incidente, espressa come prodotto tra la potenza solare incidente G [W/m²] e l’area del collettore A [m²].

La temperatura media del collettore Tm può essere espressa come media aritmetica tra la temperatura di ingresso Tin e la temperatura di uscita Tout.

Tin + Tout / 2

Il rendimento di un collettore solare può essere espresso da una relazione lineare:

Tm – Ta

η = η 0 – U 0 G

Dove: Tm [K] è la temperatura media del collettore, che può essere assunta pari alla media tra la temperatura di ingresso e di uscita del fluido termovettore; Ta [K] la temperatura ambiente; G [W/m²] l’irradianza globale incidente. I parametri η0 e U0 sono determinati a partire da prove sperimentali.

Abbiamo quindi due valori limite:

• Se Tm=Ta, il rendimento sarà pari al η0 è sarà massimo.
• Il rendimento si annulla per G U.

Possiamo interpretare fisicamente cosa accade: abbiamo un flusso energetico da parte del sole che penetra all’interno del pannello. Una parte di questo flusso termico viene disperso mentre un’altra parte riscalda il fluido. La parte che viene dispersa è proporzionale alla temperatura del fluido: più è caldo il pannello e più disperde energia finché a un certo punto la quantità di energia dispersa eguaglia l’energia in ingresso. In queste condizioni il pannello non è più in grado di assicurare un incremento di temperatura e il rendimento è nullo.

Ragionando sulle variabili che influenzano il rendimento possiamo considerare costante l’irradiazione costante pari a 1000 W/m² e vediamo che succede per diversi valori della temperatura ambiente (0-20-40°C).

• A parità di tipo di pannello, al variare della temperatura ambiente, il rendimento cresce a parità di temperatura media del pannello (per esempio a 60°C di temperatura media, il rendimento cresce dal 40 al 70% passando da una temperatura ambiente di 0°C a 40°→ infatti minore è la temperatura esterna maggiori sono le dispersioni verso l’esterno).
• A parità di rendimento, possiamo raggiungere valori maggiori della temperatura media quando la temperatura esterna è maggiore. Possiamo inoltre affermare che al ridursi della potenza solare, ed a parità di Tm e Ta, il rendimento si riduce. Al ridursi della potenza solare, si riduce anche la temperatura di equilibrio termico del collettore, a rendimento nullo. Estrapolando le curve del rendimento per valori di Tm<Ta, il rendimento supera il valore di η0 e può raggiungere anche volari maggiori dell’unità soprattutto per alti valori della temperatura ambiente. Avere un rendimento maggiore di 1 sembra un paradosso ma in realtà questo succede perché, considerando i flussi di energia in ingresso, abbiamo considerato il solo flusso energetico che viene da sole. Questo è vero a patto che la temperatura media sia maggiore della temperatura ambiente perché in tal caso il collettore cede calore all’ambiente. Se la temperatura media è minore della temperatura ambiente, il pannello riceve calore dal sole e dall’ambiente e il collettore si comporta come uno scambiatore di calore. È quello che succede immaginando di avere un collettore solare in una serata di estate dove fa molto caldo e alimentiamo il collettore con acqua fredda. L’acqua uscirà più calda, il calore dal sole è zero perché si sta riscaldando a spese dell’ambiente.

Tipologie di impianto di riscaldamento ad energia solare

Siamo abituati a pensare al riscaldamento con i termosifoni o i camini. Nei termosifoni circola acqua calda e, affinché il termosifone possa avere una superficie riscaldante di dimensioni non troppo elevate, è necessario che ci sia una discreta differenza di temperatura tra l’acqua che circola nel termosifone e l’ambiente esterno. Il problema però sta nel fatto che il rendimento dei sistemi di captazione solare si riduce al crescere della temperatura dell’acqua (o dell’aria) nel collettore. Per avere un efficace sfruttamento dei collettori solari dovremmo avere dei sistemi di diffusione del calore che funzionino a temperature più basse di quelle dei termosifoni quindi gli impianti solari termici si prestano quindi ad essere abbinati con corpi scaldanti a bassa temperatura. Quello che succede è che al ridursi della temperatura dei corpi scaldanti ed a parità di flusso termico da fornire, aumenta però la loro superficie ed il costo. È necessario quindi determinare le condizioni ottimali di progetto andando a incrementare la superficie dei corpi scaldanti o incrementando del coefficiente di scambio che avviene attraverso i termoconvettori.

Termoconvettori

Il termoconvettore è l’evoluzione del termosifone ed è un impianto a convezione per il riscaldamento o il raffrescamento. È costituito da un contenitore in lamiera, con uno scambiatore di calore acqua-aria ed un ventilatore (convezione forzata) che permette di andare a incrementare il coefficiente di scambio termico. Può avere una doppia funzione, sia di riscaldamento che di raffreddamento; il flusso termico può essere controllato regolando la velocità di rotazione del ventilatore.

I pannelli radianti

I pannelli radianti sono sistemi di riscaldamento che utilizzano il calore proveniente da tubazioni collocate dietro le superfici dell'ambiente da riscaldare. In questo caso, dunque, andiamo a incrementare la superficie dei corpi scaldanti. Si suddividono generalmente in tre categorie:

• Pannelli radianti a pavimento
• Pannelli radianti a parete che viaggiano nel battiscopa
• Pannelli radianti a soffitto che però sono caratterizzati dal fatto che l’aria calda tende a concentrarsi in alto quindi non sono molto efficaci da un punto di vista del riscaldamento

Accumulo stagionale per solare termico

Il problema tipico dell’energia solare è l’intermittenza dovuta al giorno/notte ma anche stagionale, dunque, è necessario introdurre i sistemi di accumulo stagionale. Un serbatoio termico stagionale è un sistema di accumulo progettato per immagazzinare il surplus di calore generato durante l’estate, per essere poi utilizzato nei mesi invernali. Il calore può essere immagazzinato tramite pannelli solari termici, ma anche da impianti cogenerativi. Si utilizzano in genere serbatoi di acqua interrati ed isolati. In particolare, possiamo dire che in inverno avremo esigenze di riscaldamento quindi maggiore richiesta ma minore disponibilità. Al contrario, in estate avremo minore richiesta ma maggiore disponibilità.

Lo stagno solare

In uno stagno solare di profondità di alcuni metri, come può essere una piscina, il calore che riscalda gli strati dell’acqua ne provoca un riscaldamento, una dilatazione termica che genera un meccanismo di circolazione naturale. Quando gli strati sono profondi, si avrà una densità molto elevata.