Energia solare

Formule per il calcolo della radiazione solare

K = G / G

Dove: t è chiamato indice mensile di serenità e G è la radiazione globale su superficie orizzontale o extratmosferica al giorno ennesimo calcolata nel seguente modo:

Una volta nota la radiazione diffusa su un piano orizzontale, la componente diretta giornaliera I = G - D si trova per sottrazione:

Stima della radiazione oraria dai valori di radiazione media giornaliera

I valori orari della radiazione globale per il giorno medio mensile possono essere valutati a partire dai valori di radiazione giornaliera media mensile G:

Con r fattore moltiplicativo calcolabile secondo la relazione Collares-Pereia e Rabl:

Anche la Radiazione diffusa oraria può essere calcolata allo stesso modo:

Dove:

Possiamo ora calcolare i valori orari della componente diretta:

Calcolo della radiazione solare oraria su un piano inclinato

Collettori solari termici

Sistemi a bassa temperatura:

In questi dispositivi l'energia radiante del sole è convertita in energia termica;

ammissione dell'irraggiamento solare concentrato). Ecco come potrebbe essere formattato il testo utilizzando tag html:

Alcuni possono sfruttare la sola componente diretta, mentre altri consentono di utilizzare anche quella diffusa e riflessa. La radiazione solare giunge al dispositivo di captazione, viene assorbita dall'assorbitore e trasferita ad un fluido termovettore (come acqua o aria). Per raggiungere alte temperature si devono ottenere, sul ricevitore, più alte densità di irraggiamento utilizzando sistemi a concentrazione.

Sistemi ad alta e media temperatura:

• I collettori ad alta concentrazione devono seguire la traiettoria del sole in modo da concentrare il flusso solare su un ricevitore puntuale o lineare.
• Nei concentratori a non immagine invece il flusso solare è focalizzato in modo diffuso su un ricevitore superficiale.

I dispositivi di captazione possono essere classificati in base alla temperatura del fluido termovettore e al rapporto di concentrazione C (rapporto tra la superficie di ammissione dell'irraggiamento solare non concentrato e la superficie di ammissione dell'irraggiamento solare concentrato).

assorbimento del dispositivo).

Classificazione

Principi di funzionamento

Una superficie esposta alla radiazione solare assorbe parte dell'energia, riscaldandosi e, soprattutto, riscaldando un fluido "termovettore"; la quantità di energia assorbita dipende dal coefficiente di assorbimento α caratteristico della superficie (circa uguale a 1 per le superfici nere).

Tuttavia, la superficie a sua volta irraggia energia verso l'esterno con una distribuzione spettrale che dipende dalla temperatura (legge di Wien) e cede altro calore all'ambiente, che si trova ad una temperatura inferiore, per conduzione e convezione.

Trasmittanza termica

È una grandezza fisica che misura la quantità di potenza termica scambiata per conduzione, convezione ed irraggiamento da un corpo per unità di superficie e unità di differenza di temperatura. Definisce la tenenza di un elemento allo scambio di energia (inverso della resistenza termica).

Nel SI si misura

in W/(m K).

• h ed h sono i due coefficienti di adduzione.

• i eNel caso di strati di materiali non omogenei a denominatore vanno sommate le resistenze termiche Ri.

*bilancio valido per ogni lunghezza d’onda

Corpo nero

Un corpo nero è un perfetto emettitore di radiazione poiché emette la massima radiazione ad ogni temperatura e lunghezza d’onda, assorbe inoltre tutta la radiazione incidente indipendentemente da direzione e lunghezza d’onda.

La potenza radiante totale emessa da un corpo nero per unità di superficie, detta potere emissivo, è espressa dalla relazione di Stefan-Boltzmann:

Emissività ed Assorbimento ε

Emissività monocromatica: emissività di una superficie ad una determinata lunghezza d’onda λ

Emissività totale: emissività di una superficie mediata su tutte le lunghezze d’onda

L’emissività di un corpo è correlabile al coefficiente di assorbimento

Secondo le relazioni di Kirchhoff; ovvero l'emissività monocromatica direzionale risulta uguale al coefficiente di assorbimento monocromatico direzionale: ε =αλ.

L'emissività monocromatica globale risulta uguale al coefficiente di assorbimento monocromatico globale: ε=α.

Relazione valida se la superficie emette in modo diffuso, ovvero se l'irradiazione considerata è uniforme in tutte le direzioni.

Componenti di un collettore:

• Assorbitore: capta l'energia radiante proveniente dal sole e la trasferisce sotto forma di energia termica al fluido che circola all'interno;
• Copertura trasparente: permette il passaggio della radiazione solare con lunghezza d'onda λ compresa tra 0,2 e 3 μm (è opaca a lunghezze d'onda superiori);
• Isolante: sulle pareti laterali e sulla parte opposta a quella di ricezione della radiazione, che limita le dispersioni termiche.

solari ma opaco agli infrarossi, in modo da permettere il passaggio della radiazione solare ma trattenere la radiazione infrarossa all'interno del collettore. Il collettore solare piano è progettato per assorbire il calore dalla radiazione solare e trasferirlo al fluido vettore che circola al suo interno. Questo avviene grazie alla piastra assorbente, che assorbe le radiazioni solari e si riscalda, riscaldando a sua volta il fluido. Per evitare la dispersione del calore generato, il collettore è solitamente coperto da un vetro trasparente alla radiazione solare ma opaco agli infrarossi. Questo crea un "effetto serra" all'interno del collettore, aumentando notevolmente la temperatura. Le parti non trasparenti del collettore sono coibentate per ridurre la dispersione di calore che non viene trasferito al fluido vettore. In sintesi, il collettore solare piano è costituito da un telaio che racchiude i componenti del collettore e funge da struttura di supporto. La piastra assorbente assorbe le radiazioni solari e riscalda il fluido vettore, mentre il vetro trasparente alla radiazione solare ma opaco agli infrarossi trattiene il calore all'interno del collettore. Le parti non trasparenti sono coibentate per ridurre le perdite di calore.

comprese tra 0.3 e 3 mm (cioè a tutto lo spettro dellaradiazione solare), mentre è opaco alle radiazioni di lunghezza d'onda superiore (ovvero quasitutte le radiazioni emesse dalla piastra).

Per massimizzare la resa termica del collettore è necessario che la piastra sia caratterizzatada un'alta assorbenza e da una bassa remissività termica.

Queste proprietà vengono raggiunte attraverso un trattamento selettivo della superficiepiuttosto che con la semplice verniciatura nera della stessa.

La quantità di energia riflessa ed assorbita è complementare alla trasmittanza ottica dellalastra, che si misura attraverso il coefficiente di trasmissione, funzione della composizione delvetro, della finitura dello stato superficiale, dello spessore della lastra, e dall'angolo diincidenza della radiazione.

I rivestimenti vetrati

Il vetro solare standard utilizzato per la copertura dei collettori riflette il 4% (al massimo)

La frazione incidente sulla piastra è del 91%, a causa dei fenomeni di assorbimento. Tuttavia, è possibile aumentare la capacità di trasmissione al 96% attraverso un processo di corrosione che rende la superficie del vetro ruvida.

Per la scelta della piastra, è importante cercare di ottenere le seguenti prestazioni al minor costo possibile:

• Elevato coefficiente di assorbimento
• Basso coefficiente di emissione
• Elevata conducibilità termica
• Buona resistenza alle sollecitazioni derivanti dalla dilatazione termica
• Facilità di sostituzione e durata nel tempo

La piastra può essere trattata in modo selettivo, con un rivestimento a strati che favorisce la conversione della radiazione ad onde corte in calore e impedisce il rilascio di calore verso l'esterno.

realizzati in cromo e nichel nero. Isolamento termico Per ridurre le perdite di calore verso l'esterno, le pareti e il fondo del collettore vengono isolate termicamente. Il collettore può raggiungere temperature anche di 150-200°C ed in questo caso se l'adesivo utilizzato per far aderire la coibentazione alle pareti non resiste a tali temperature, sublimando, potrebbe opacizzare la copertura vetrata pregiudicandone la trasparenza. Vengono utilizzate solitamente piastre di poliuretano espanso rigido senza CFC, accoppiate con fibre minerali (isolamento a doppio strato). Tale tipologia di isolamento è utilizzata perché il comune poliuretano è capace di resistere a temperature superiori ai 130°C. Vantaggi È affidabile e richiede scarsa manutenzione; Buon rapporto costo/prestazione; È più economico di un collettore sottovuoto con prestazioni mediamente inferiori ma competitive; Facilità di assemblamento e costi.

di installazione contenuti;

Offre diverse possibilità di montaggio;

Limiti

• Non è adatto per la produzione di calore a temperature molto elevate;
• Presenta una minore efficienza rispetto ai collettori sottovuoto in quanto il valore di K è più alto;
• Richiede uno spazio maggiore sul tetto rispetto ai collettori sottovuoto;
• È necessario un sistema di supporto per il monitoraggio su tetti piani.

Collettori a tubi evacuati

In questi collettori le dispersioni termiche attraverso il vetro verso l'ambiente esterno sono drasticamente ridotte creando un certo livello.

Bilancio energetico di un collettore solare

Trascurando la presenza di accumulo termico nel collettore, l'energia utile raccolta per unità di superficie e unità di tempo, può essere definita dalla differenza fra l'energia assorbita e quella perduta, per convenzione conduzione ed irraggiamento verso l'ambiente.

esterno:

Bliss di un collettore solare piano-

Efficienza istantanea del collettore è definita come rapporto tra la potenza utile ceduta al fluido termovettore e la potenza radiante incidente sul collettore:

u q'-

L'energia assorbita nell'unità di tempo e di superficie è data da:

aG

dove è l'intensità della radiazione solare e (Tauα) è un fattore che tiene conto dell'aliquota β di radiazione complessivamente trasmessa attraverso il sistema di coperture trasparenti ecoefficiente di assorbimento della piastra ad è chiamato prodotto effettivo trasmissività-assorbimento.

q'-

L'energia perduta per unità di tempo e di superficie è data da:

p

Dalle precedenti espressioni si ottiene:

Tale