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Energia Solare PDF Stampa E-mail
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Scritto da Maria Rispoli   
Giovedì 17 Marzo 2011 20:43

1. Risorsa naturale

1.1. Il Sole

Il Sole è senza dubbio l’oggetto celeste più appariscente, la sua luce dà al nostro pianeta l’energia necessaria ad ogni forma di vita.

L’oscuramento del Sole durante le eclissi è sempre stato accolto come un fenomeno funesto e terribile.

Ci sono, purtroppo, numerose testimonianze di un lungo oscuramento del Sole e delle sue catastrofiche conseguenze. A causa dell’esplosione del vulcano Krakatoa, in Indonesia nel 1883 il cielo si caricò di tante polveri da limitare di molto la luce che giungeva a terra per un lungo periodo di tempo; quell’anno infatti viene ricordato come un anno senza estate su tutto il pianeta a causa della bassa temperatura che impedì la maturazione dei raccolti provocando gravi carestie.

 

In anni più vicini a noi si è assistito agli effetti devastanti dell’esplosione di pozzi petroliferi che emanavano un fumo così denso, da trasformare il Sole di mezzo giorno in un pallido riflesso simile a quello della Luna.

Il Sole è l’unica grande fonte primaria di energia presente sul nostro pianeta. Il Sole attiva il ciclo dell’acqua, fornisce energia termica per il riscaldamento del pianeta, consente la vita sulla Terra permettendo la fotosintesi clorofilliana, garantisce il movimento delle masse d’aria, consente che l’energia fissata nel tempo attraverso lo sviluppo della vita sia oggi disponibile sotto forma di combustibili fossili.

 

La Terra non è che una piccola porzione dello spazio in cui vengono dispersi i raggi solari.

Se immaginiamo che la Terra si trovi su una sfera al centro del quale c’è il Sole, è abbastanza facile rendersi conto che sul nostro pianeta arriva una porzione molto piccola dell’energia che il Sole emana istante dopo istante.

  

Più del 99,9% del flusso di energia sulla superficie della terra proviene da una radiazione solare, il resto deriva da sorgenti geotermali, gravitazionali (della marea) e nucleari.

Il Sole è una stella di media dimensione, con un diametro di 864.000 miglia (1 miglio = 1760 yd = 1609,344 m), quindi ha un diametro di 1.390.473.216 m e distante 93 milioni di miglia cioè 14.966.899.200 m dal nostro pianeta.

Ogni secondo 657 milioni di tonnellate di isotopi di idrogeno sono convertite in 653 milioni di tonnellate di elio. La massa rimanente di 4 milioni di tonnellate viene convertita in energia, secondo l’equazione di Einstein:

 E= mc2

 In base a questa formula la potenza del Sole è:

 Potenza del Sole = (4*109 kg/s)*(3*108 m/s)2= 3,6*1026 W

 Per collocare questo numero in prospettiva, diciamo che: se dalle Cascate del Niagara si stesse versando benzina, ad una velocità di 5 milioni di galloni all’ora (1 gallone = 3,785 41 dm3 = 0,003785 41 m3 ) e se avessimo cominciato a raccoglierla 3,5 milioni di anni fa. La combustione di tutta questa benzina accumulata libererebbe la quantità di energia equivalente ad un minuto della produzione del Sole.

  

La quantità di energia inviata dal Sole sulla Terra è enorme. Abbiamo detto che più del 99,9% del flusso di energia sulla Terra proviene da radiazione solare. In un solo giorno vengono diretti verso il nostro pianeta oltre 3.400 milioni di miliardi di calorie. Ma solo una piccola parte viene catturata e diviene utilizzabile.

  

La maggior parte di questa enorme quantità di energia viene diffusa nello spazio come luce riflessa o come calore assorbito dalla superficie terrestre e poi restituito allo spazio per irraggiamento. La riflessione ha valori molto elevati sul nostro pianeta anche perché la maggior parte della superficie terrestre è coperta da acque e ghiacci perenni, che riflettono le radiazioni solari pressappoco come tanti specchi e le disperdono nello spazio. La maggior parte dell’energia residua alimenta il ciclo dell’acqua (nonché i vari cicli della vita e della materia), ma anche questa energia viene in gran parte dispersa dagli attriti delle masse d’aria e d’acqua. Una parte piccola ed importante dell’energia impiegata per alimentare il ciclo dell’acqua, l’energia idraulica, viene utilizzata attraverso le centrali idroelettriche. L’energia restante alimenta la fotosintesi clorofilliana. Ed è proprio attraverso la fotosintesi clorofilliana che nelle diverse ere geologiche si è accumulata, lentamente ma costantemente, tutta l’energia che oggi è utilizzata con i combustibili fossili.

Dunque essendo piuttosto lontano dal Sole, la Terra riceve solo circa metà di un miliardesimo di questa radiazione, ma la riceve più o meno continuamente. Circa il 30% di questa energia non raggiunge la superficie della Terra, perché viene riflessa dall’atmosfera (come radiazione ultravioletta).

Inoltre, la radiazione che non raggiunge la superficie è quattro ordini di grandezza superiore a quella del consumo di energia di tutto il mondo.

  

Infatti, solamente 40 minuti di luce del Sole sarebbero sufficienti, se disponibili in forme adeguate, a far fronte alla richiesta annuale di energia sulla Terra. Comunque il se menzionato nella frase precedente è una grossa parola. Poiché l’energia solare si sparge più o meno uniformemente attraverso lo spazio, e giunge sulla superficie della Terra in forma diluita, ad una percentuale di circa 220 W/m2.

 

Simplified solar energy balance on earth.

 

In altre parole, se un metro quadro fosse disponibile per la conversione di energia solare in elettricità (al 100% di efficienza), l’energia prodotta sarebbe sufficiente solo per due o tre lampadine.

La sfida nell’utilizzazione di energia solare è di concentrarla.

Nel disegno è rappresentata la Terra che riceve la luce dal Sole. I raggi si possono considerare paralleli, perché partono da tanto lontano che giungono sulla superficie della Terra a uguale distanza l’uno dall’altro.

I segmenti rossi disegnati sulla superficie della Terra rappresentano la parte raggiunta dalla stessa quantità di raggi provenienti dal Sole.

A parità di irraggiamento, il segmento più corto riceve una maggiore quantità di energia.

Guardando la prima figura che segue si vede che i raggi solari sono perpendicolari all’equatore, siamo quindi in un equinozio. In questo giorno la durata della notte è uguale a quella delle ore di luce. Il 21 marzo è l’equinozio di primavera. Il 23 settembre è l’equinozio di autunno.

  

In questa figura i raggi del Sole sono perpendicolari a una zona più a Nord dell’Equatore, circa 23°, che rappresenta la massima latitudine Nord a cui il Sole può essere perpendicolare. Nella figura è rappresentato il solstizio d’estate che avviene il 21 giugno in cui il dì è il più lungo dell’anno e la notte è la più corta. Il solstizio d’inverno capita il 21 dicembre e in questo caso abbiamo la notte più lunga dell’anno e il giorno più corto.

  

Le prime ipotesi sulla natura dell’energia prodotta dal Sole si riferivano a fenomeni conosciuti dall’uomo: ad esempio la combustione.

Se il Sole funzionasse come un’immensa fornace di carbone che brucia con l’ossigeno, potrebbe produrre tutta questa energia? Sì

Ma solo per un tempo molto breve, molto più breve della stessa storia dell’uomo: 1500 anni. Quindi, se l’energia fosse solo chimica, il Sole si sarebbe già spento da tempo. Questo significa che all’interno del Sole viene prodotta energia in modo da consentire una maggiore durata. Da studi particolari si è stabilito che l’età della Terra e del Sole (che è un po’ più vecchio) è di almeno 4,5 miliardi di anni. L’unica fonte di energia che possa durare così a lungo è quella nucleare.

Inoltre la temperatura interna del Sole è di 15.000.000°C La temperatura esterna è di 6.000°C.

I fenomeni che giustificano queste elevate temperature sono le fusioni nucleari. Si tratta di una fonte di energia quasi inesauribile che consentirà al Sole di brillare ancora per 10 miliardi di anni.

  

Il Sole quindi è un gigantesco reattore di fusione nucleare le cui temperature interna e superficiale sono 35.000.000 e 10.000°F, rispettivamente.

Vediamo ora un’altra mappa del Sole

  

Da quanto si è detto si può capire perché il Sole viene considerato una fonte di energia rinnovabile.

Si ci aspetta che il suo utilizzo efficace su larga scala divenga una realtà nel ventunesimo secolo (probabilmente nella seconda metà). Si spera che l’umanità potrà ricavare dal 30% al 50% dell’energia che le è necessaria. L’energia solare potrebbe contribuire in maniera valida soprattutto al rapido sviluppo dei paesi del Terzo Mondo, i quali generalmente, per la loro posizione geografica, godono di una insolazione sufficiente e estesa in vaste zone. Essi potrebbero utilizzare l’energia solare, senza nel frattempo sfruttare troppo le fonti non rinnovabili di energia, evitando cioè di commettere gli errori commessi dai Paesi più ricchi.

Dunque per "energia solare" si intende l'energia raggiante sprigionata dal Sole per effetto di reazioni nucleari (fusione dell'idrogeno) e trasmessa alla Terra (ed in tutto lo spazio circostante) sotto forma di radiazione elettromagnetica.

 

 

1.2. Le radiazioni elettromagnetiche

Qualunque radiazione elettromagnetica è composta da fotoni, particelle elementari elettricamente neutre dalla doppia natura: materiale e ondulatoria.

A seconda della lunghezza d'onda della radiazione si ottengono onde radio (dell'ordine delle centinaia di metri), microonde, infrarossi, luce visibile, ultravioletti raggi X e raggi g (l dell'ordine dei raggi atomici).

  

1.3. Piranometro

Per la misura dell’irraggiamento totale si utilizza uno strumento detto piranometro, il quale generalmente viene posto su di un supporto orizzontale; esso ha una sensibilità compresa tra 0.3 e 3 mm nello spettro di lunghezza d’onda misurata.

Il più comune è il piranometro di Eppley, costituito da due anelli concentrici in argento; quello interno è ricoperto di nero, quello esterno di bianco. Misurando la differenza di temperatura tra i due anelli mediante delle termocoppie è possibile ricavare il valore dell'irraggiamento totale.

  

1.4. La cella di riferimento

In alcune situazioni viene invece utilizzata la cella di riferimento, una piccola cella fotovoltaica di cui si conoscono con precisione le caratteristiche; irraggiata dal Sole e misurate le grandezze elettriche, consente di risalire ai valori dell'irraggiamento totale.

Ha una precisione inferiore rispetto al piranometro.

 

1.5. Eliografo

Lo strumento che misura la durata dell’irraggiamento solare è l’eliografo, sensibile all’irradiazione diretta, cioè ai raggi solari visibili che determinano le ombre, con un limite minimo di illuminazione che può variare tra 70 e 280 W/m2.

 

1.6. La radiazione solare

La radiazione solare che raggiunge la superficie terrestre si distingue in diretta, diffusa e riflessa.

  

Radiazione DIRETTA = è quella che colpisce direttamente una superficie con un unico e ben definito angolo di incidenza.

L’irradiazione diretta viene misurata tramite il PIRELIOMETRO; esso presenta una apertura ridotta e riceve i raggi del Sole mediante un tubo allungato.

  

La superficie ricevente deve essere mantenuta ortogonale ai raggi del Sole e per far questo è dotato di un apposito sistema (inseguitore solare).

Radiazione RIFLESSA = è quella che arriva indirettamente su una superficie, dopo aver colpita precedentemente un'altra.

Radiazione DIFFUSA = è la componente della radiazione solare che incide su una superficie dopo la riflessione e la dispersione dovuta all'atmosfera; incide secondo vari angoli e grazie a questa anche la parte di una superficie che non può essere colpita dalla radiazione solare diretta a causa di ostacoli esterni, non si trova completamente oscurata.

  

Per la misura dell'irradiazione diffusa vengono utilizzati dei piranometri con banda ombreggiante, ossia forniti di un dispositivo supplementare che fa da schermo all’irradiazione diretta

             

Le proporzioni di radiazione riflessa, diffusa e diretta ricevuta da una superficie dipendono:

  • dalle condizioni meterologiche (in una giornata nuvolosa la radiazione è praticamente tutta diffusa, viceversa in una giornata serena con clima secco, predomina la componente diretta fino al 90% del totale);
  • dall'inclinazione della superficie rispetto al piano orizzontale (una superficie orizzontale riceve la massima radiazione diffusa e la minima riflessa; la componente riflessa aumenta al crescere dell'inclinazione);
  • dalla presenza di superfici riflettenti (le superfici chiare riflettono maggiormente di quelle scure).

 

1.6.1 Valutazione della risorsa

La radiazione solare su una superficie inclinata può essere determinata mediante metodi di calcolo sperimentali oppure, in modo più approssimato, mediante opportune mappe isoradiative. Da mappe di tale genere, pubblicate da vari organismi in Italia e nel mondo, è possibile dedurre che, dal punto di vista dell'irraggiamento, località disposte sulla costa sono assai simili anche se distanti tra loro e, viceversa, località vicine tra loro, ma poste una in zona montuosa e l'altra lungo la costa, presentano caratteristiche di irraggiamento alquanto diverse. L' acquisizione di questi dati viene effettuata dal servizio metereologico nazionale, registrando separatamente le componenti "diretta" e "diffusa" delle radiazioni. Alcune pubblicazioni oltre a presentare i dati di radiazione solare sul piano orizzontale riportano i dati relativi ad alcune inclinazioni delle superfici di captazione per l'importanza che questi rivestono nel progetto esecutivo di una centrale fotovoltaica.

 

 

 

1.6.2. Sistemi per la misura della risorsa

Gli strumenti per la misura delle componenti della radiazione solare, genericamente chiamati solarimetri, sono classificati in base alla componente di radiazione solare misurata (pireliometro, piranometro, piranometro con banda ombreggiante), in base al principio utilizzato per effettuare la misura (a termopila, a effetto fotovoltaico) o in base alla classe di precisione.

 

2. Storia

L'uso di raggi solari per ottenere un riscaldamento vantaggioso è stato praticato fin dai tempi antichi. Nel 213 a.C., lo studioso greco Archimede usò degli specchi per dirigere la luce solare sopra la flotta di Marcello, il generale romano chi tentò di catturare Siracusa (in Sicilia), e diede fuoco alle sue navi.

Le apparecchiature di oggi non sono necessariamente più sofisticate di quelle usate da Archimede.

Il primo pannello solare per scaldare l'acqua pare sia stato costruito nel diciottesimo secolo dallo scienziato svizzero Horace Benedict de Saussure. Si trattava di una semplice scatola di legno con un vetro nella parte esposta al sole e la base di colore nero, capace di assorbire la radiazione solare termica intrappolata nella scatola stessa grazie a un locale "effetto serra" e alla scarsa dispersione dovuta alle caratteristiche termiche del legno (buon isolante termico). Il pannello consentiva di raggiungere temperature di circa 87 ºC.

Sir John Herschel, utilizzò un sistema simile per cucinare il cibo durante la sua spedizione nell’Africa Meridionale intorno al 1830.

Dal 1860 in poi, lo scienziato francese Auguste Mouchout, sperimentò una serie di invenzioni nel campo del solare (in particolare del solare termico per la produzione di energia meccanica e non di acqua calda sanitaria), partendo dalle considerazioni sui rischi della dipendenza del suo paese dal carbone.

Nel 1861 brevettò il primo motore funzionante grazie all’energia solare e continuò a perfezionarlo nel ventennio successivo: Napoleone III fu favorevolmente impressionato dall’invenzione, tanto da elargire finanziamenti a Mouchout per la realizzazione di un motore solare su scala industriale. L’inventore, dopo aver realizzato un concentratore a forma di tronco di cono, dotato di una superficie captante di circa 20 m2, riuscì a far produrre al suo motore poco più di 1 kW.

In seguito Mouchout sviluppò ulteriori invenzioni, considerate dei successi tecnici ma degli insuccessi economici a causa del basso prezzo del carbone nell’ultimo ventennio del XIX secolo.

Altri successi scientifici nel campo del solare termico si ebbero negli anni successivi: nel 1878, l’Inglese William Adams cominciò la costruzione della prima torre a concentrazione, nel 1885 un altro francese, Charles Tellier, utilizzò per la produzione del vapore dei collettori piani. Poco prima, negli Stati Uniti, l’ingegnere John Ericsson, aveva inventato il primo concentratore parabolico.

Il primo sistema commerciale per la produzione di acqua calda fu brevettato dall’Americano Clarence Kemp nel 1891. Già nel 1897 un terzo delle case di Pasadena, in California, erano dotate di dispositivi solari per il riscaldamento della acqua. Dal 1920 in poi si diffuse nelle regioni maggiormente soleggiate degli Stati Uniti, come Florida e California, il cosiddetto "day and night water heater", che era in grado di fornire acqua calda durante tutto il giorno (era un sistema a circolazione naturale in cui l’acqua veniva accumulata in un serbatoio posto più in alto dei collettori piani). Pochi anni dopo, intorno al 1935 fu realizzato il primo edificio in cui l’impianto di riscaldamento utilizzava una serie di collettori solari per ottenere il fluido scaldante.

Negli anni '50 gli scaldacqua solari si diffusero particolarmente, grazie all’introduzione di sistemi più efficienti; i dati relativi a quegli anni parlano di 250.000 piccoli impianti in Giappone, 50.000 negli Stati Uniti (Florida e California soprattutto) ed un discreto numero in Australia, Israele e Sud Africa.

Un nuovo forte impulso allo sviluppo di questa tecnologia fu dato dalla crisi petrolifera agli inizi degli anni '70.

Comunque l’interesse dei consumatore verso di essi diminuì bruscamente, quando il prezzo del petrolio diminuì negli anni ottanta e quando i crediti federali sulla tassa di energia solare si estinsero nel 1985.

Nell’ultimo decennio si è assistito ad un forte sviluppo del solare termico in virtù delle migliorate prestazioni di tali impianti, di una raggiunta maturità ambientale in molti paesi industrializzati e del fondamentale intervento dei loro governi per lo sviluppo di tale tecnologia.

Oggigiorno i sistemi solari per scaldare l'acqua sono in genere utilizzati per gli usi domestici di singole famiglie, per il riscaldamento degli ambienti e per il riscaldamento dell’acqua delle piscine.

Gli impianti per uso domestico sono in media di 4-6 m2, con serbatoio di 150-300 litri, che consentono di produrre acqua calda a “bassa” temperatura (55-65°C), tuttavia adatte agli usi di cucina, bagni, riscaldamento. L'energia disponibile (alle nostre latitudini) alle utenze nelle 24 ore è dell'ordine di 1,5-3,5 kWh per ogni m2 di superficie del collettore, rispettivamente in inverno e in estate con cielo sereno.

Nei paesi in cui la ricerca è più avanzata, in aggiunta agli impianti di tipo unifamiliare, sono stati realizzati, a scopo dimostrativo o nell'ambito di programmi sovvenzionati, impianti a collettori solari piani centralizzati, i quali aprono nuove prospettive di applicazione di questa tecnologia.

In Germania, impianti fino a 3.500 m2, con serbatoi per l'acqua calda di alcune centinaia di m3, sono stati installati per il riscaldamento di appartamenti, con sistemi di distribuzione e conteggio del calore, di alberghi, di impianti sportivi, di aziende manifatturiere.

Di particolare interesse gli impianti per il riscaldamento dell'acqua delle piscine (possono fornire fino al 100% delle necessità termiche delle piscine), realizzati in genere con pannelli in polipropilene sono inoltre i più semplici da installare della categoria, e possono ripagarsi anche in un anno e mezzo.

Recenti applicazioni "ibride" riscaldano il fluido vettore utilizzando il retro di pannelli fotovoltaici, ottenendo anche il risultato di abbassare la temperatura di questi ultimi, con beneficio per la loro efficienza.

Infine, la disponibilità di nuove tecnologie per la costruzione di edifici (per esempio i nuovi materiali isolanti termicamente e trasparenti alla luce) sta aprendo anche la strada alla possibilità di utilizzare i pannelli solari nella climatizzazione invernale e estiva di abitazioni e edifici. A Friburgo, il Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems sta sperimentando da anni un nuovo tipo di abitazione climatizzata tutto l'anno solo con l'energia solare.

 

2.1. I pannelli solari in Italia

Le prime ricerche sistematiche per il riscaldamento solare dell'acqua furono effettuate in Italia agli inizi degli anni '60 dal Politecnico di Milano nell'ambito di un programma finanziato dal CNR, che comprendeva la sperimentazione di diverse tipologie di impianto a Cortina d'Ampezzo. I primi modelli di scaldacqua solari commerciali iniziarono a diffondersi intorno al 1975. Agli inizi degli anni '80 l'ENEL promosse una campagna per l'installazione nel nostro paese di 100.000 m2 di collettori solari, che, tuttavia, in assenza di riferimenti normativi per la loro produzione e installazione, non ebbe il successo previsto. Oggi la diffusione dei collettori solari sta avendo un nuovo momento di slancio, grazie a programmi a carattere nazionale e regionale.

 

2.2. Curiosità: Riscaldamento solare delle piscine

Il riscaldamento dell’acqua con energia solare è uno dei migliori e più efficaci modi di riscaldamento. Le piscine infatti richiedono temperature dell’acqua comprese tra i 25 ed i 28°C in corrispondenza delle quali i collettori solari sono molto efficienti. Possono essere utilizzati collettori vetrati o non vetrati (meno efficienti). Le piscine scoperte normalmente utilizzano collettori non vetrati perché utilizzate prettamente d’estate, periodo in cui le prestazioni dei due sistemi sono pressoché equivalenti.

Nessuno dei due sistemi necessita di sistema di accumulo. E’ la piscina stessa che funge da accumulo termico.

 

3. Principio di funzionamento

La tecnologia del solare termico consente di trasformare direttamente l'energia associata alla radiazione solare in energia termica. Essa sfrutta i principi basilari della termodinamica ed in particolar modo la trasmissione del calore da un corpo “caldo” ad uno “freddo”: il corpo caldo è il Sole che irraggia energia nello spazio circostante ed il corpo freddo è il fluido che scorre all’interno del pannello; si ha quindi un sistema che funziona senza l'uso di alcun combustibile.

La radiazione solare incidente viene utilizzata per riscaldare un fluido (acqua, aria o soluzioni di vario calore specifico) che può circolare in scambiatori di calore o direttamente in tubazioni e corpi radianti posti nei locali da riscaldare o per far evaporare le sostanze volatili che vengono utilizzate nei cicli di refrigerazione.

I metodi per raccogliere l'energia solare sotto forma di energia termica sono due:

  • con concentrazione, mediante specchi o lenti che riflettono la radiazione verso pannelli o caldaie per l'utilizzo diretto dell'acqua calda o per la produzione di vapore da convogliare ad una turbina;
  • senza concentrazione, mediante pannelli applicati o integrati nelle chiusure degli edifici (pareti, tetti, parapetti ecc.).

In entrambi i casi le superfici possono essere orientabili o no.

Per le applicazioni su piccola scala (quelle residenziali), per economicità e semplicità di gestione, si raccoglie l'energia solare direttamente su pannelli fissi, opportunamente orientati; inoltre in queste applicazioni si tende ad usare come fluido termovettore l’acqua.

 

3.1. Rendimento

Di tutta l'energia solare che investe un pannello solare sotto forma di radiazione luminosa e termica, solo una parte viene convertita in energia termica (energia utile), la restante parte viene dispersa sotto forma di calore trasmesso dal pannello all’ambiente circostante (per questo motivo è necessario porre una adeguato isolamento termico al di sotto del pannello).

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 300 litri d'acqua in un giorno a secondo dell'efficienza che varia con le condizioni climatiche e con la tipologia di collettore tra il 30% e 80%.

  

L'efficienza della conversione della radiazione solare in calore immagazzinato nel fluido di lavoro è un problema complesso; esso piuttosto dipendente dalla designe del collettore. I collettori artificiali sono molti meno efficiente dei “collettori naturali,” ovvero, pellicce animali.

La pelliccia degli orsi polari, per esempio ha un'efficienza di circa il 95%; nessuno si chiede perché godono nel nuotare nelle acque Artiche e ghiacciate!

 

I collettori solari più sofisticati, e più costosi, hanno un’efficienza massima nell’intervallo del 65% 70%. I valori tipici in un freddo giorno di inverno, quando sono più usati, sono circa del 20%.

 

3.2. Fluido termovettore

Il fluido termovettore è l’elemento essenziale dei collettori solari, permette di trasportare il calore ricevuto dal 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.

 

4. 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.

 4.1. 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 100°C (raramente si può arrivare a 120°C).
  • 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 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.
  • Solare termico ad alta temperatura (AT) - Detto anche “solare termodinamico”, viene utilizzato 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. 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.

I collettori a bassa-temperatura sono usati principalmente per consumi residenziali a bassa esigenza (per riscaldare piscine, ad esempio); è bene vedere che le loro vendite sono di nuovo in aumento.

I collettori a temperatura media sono usati principalmente per acqua calda residenziale, per uso domestico.

La figuri 17-1 mostra le statistiche delle più recenti azioni di collettori solari negli Stati Uniti.

  

4.2. 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).

 4.2.1. 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.

 4.2.1.1. 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¸ 20°C mette in funzione la pompa.

 4.2.1.2. 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.

4.2.1.3. 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.

 4.2.1.4. 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).

Oltre al collettore ed al fluido di lavoro, un completo sistema solare attivo deve avere un impianto di immagazzinamento dell'energia e/o un sistema di bachup,cioè un sistema di supporto, perché il Sole non splende sempre, tutto il giorno e non può splendere ogni giorno.

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.

Il fluido di lavoro caldo (come antigelo) scambia calore con acqua nel ciclo primario, simile al ciclo primario di un reattore primario ad acqua un'acqua pressurizzata (vedi figura).

  

Nel ciclo secondario, questa acqua calda è usata per scaldare il serbatoio di deposito da cui l'acqua calda è distribuita ai vari utenti, (per esempio, una doccia in una casa o un lavapiatti).

L’ampiezza del sistema di deposito dipende dall'ammontare di energia solare incidente sul collettore e dall’efficienza del collettore. Tale sistema è illustrato in figura.

  

Rappresentazione schematica di un sistema di deposito di energia solare.

 

Oltre al sistema di energia solare attivo, può essere usato efficacemente un sistema di riscaldamento solare passivo per ridurre la richiesta di riscaldamento, (e raffreddamento) di case ed edifici.

Un sistema passivo non contiene componenti attivi, come collettori e pompe; conta su caratteristiche regolari e speciali di designe costruttivo.

Muri, soffitti e pavimenti costituiscono sia il sistema di raccolta che di deposito.

Il calore è distribuito tramite convezione naturale. Il designe costruttivo è ottimizzato per far entrare il calore solare in inverno e tenerlo dentro, e fare l'opposto d’estate.

Ci sono due modi per compiere ciò: usando il così detto guadagno diretto e il guadagno indiretto.

La grandezza del serbatoio di deposito può essere ottenuta ricordando la definizione quantitativa di calore:

 Calore = [la Massa] [capacità di Calore] [la differenza di Temperatura]

 Perciò, la massa richiesta di vapore acqueo per un giorno di calore è ottenuta come segue:

 Massa = 

Il guadagno diretto si riferisce a sistemi che ammettono la luce del Sole direttamente nello spazio che richiede calore.

La recezione massima di luce dal Sole è ottenuto attraverso finestre che guardano a Sud, come mostra la figura.

  

Guadagno di calore solare per orientamenti di finestra diversi.

[La fonte: G. Aubrecht, op. cit.]

 

Questo è anche mostrato nella tavola che segue.

 Variazione di radiazione solare (in W h/m2) secondo il tempo e la latitudine

 

Data

Verticale

Orizzontale

Verticale Sud

60° Sud

21 Ottobre

 

 

 

 

32°N

8,498

5,213

 

 

40°N

7,735

4,249

5,212

6,536

48°N

6,789

3,221

 

 

21 Novembre 

 

 

 

 

32°N

7,584

4,035

 

 

40°N

6,707

2,969

5,314

6,013

48°N

5,257

1,879

 

 

21 Dicembre

 

 

 

 

32°N

7,401

3,581

 

 

40°N

6,235

2,465

5,188

5,660

48°N

4,551

1,406

 

 

21 Gennaio

 

 

 

 

32°N

7,748

4,060

 

 

40°N

6,878

2,988

5,440

6,127

48°N

5,390

1,879

 

 

21 Febbraio

 

 

 

 

32°N

9,053

5,434

 

 

40°N

8,321

4,457

5,452

6,858

48°N

7,344

3,404

 

 

21 Marzo

 

 

 

 

32°N

9,494

6,569

 

 

40°N

9,191

5,838

4,677

6,852

48°N

8,763

4,974

 

 

[Le fonti: Kraushaar e Ristinen, op. cit.; A.W. Culp, Jr., “Principles of

Energy Conversion,” McGraw-Hill, 1991.]

La luce ricevuta dal Sole durante il giorno finché essa dura deve essere assorbita da un materiale con alta capacità di trattenere calore sul pavimento o i muri.

Sostanze dense come calcestruzzo, mattone, pietra ed acqua possono immagazzinare quantità relativamente grandi di calore in una ragionevole quantità di spazio.

 

Typical values of heat capacities and densities of selected substances/materials

(at or around room temperature)

Substance/Material

Density

(lb/ft3)

Heat capacity

(BTU/lb/°F or cal/g/°C)

Water

62.8

1.00

Wood (pine)

31

0.67

Gypsum

60

0.26

Fireclay brick

112

0.22

Stone

160

0.21

Glass

170

0.20

Cement

144

0.19

Sand

100

0.19

Concrete

144

0.16

Iron

490

0.11

Quando il Sole smette di splendere, il pavimento caldo e i muri trasferiscono il calore accumulato allo spazio freddo della casa.

I sistemi passivi di guadagno diretto sono quelli che assorbono anche radiazioni solari in un materiale ad alta capacità di riscaldamento, come pareti esterne in cemento. L’energia termale accumulata viene allora trasferita allo spazio che ha bisogno di calore.

Le pareti che si affacciano a Sud sono chiamate Trombe, dal nome dell'ingegnere francese Félix Trombe, esse costituiscono la struttura solare passiva comunemente usata. Vengono costruite in cemento, mattone o pietra; possono essere anche riempite con acqua. Spesso sono dipinte di nero per un maggior assorbimento delle radiazioni. Questo aumenta la sua efficienza ma non aiuta ad abbellire il quartiere; ci sono regolamentazioni in delle zone residenziali americane che non permettono a queste strutture di rivestimento di trovarsi sulla parte dell’edificio che va sulla strada.

Un sistema alternativo è uno stagno nel tetto: l’acqua è contenuta in grandi vasche tra il soffitto ed il tetto. Un materiale isolante e movibile lo separa dal tetto. Durante il giorno, l’isolamento è rimosso per permettere alla luce del Sole di colpire lo stagno; durante la notte, è messo nella sua posizione così da permette al calore di essere trasferito soprattutto verso l'interno della casa.

L'esempio più familiare di un sistema solare passivo è la serra, chiamato anche spazio solare (sunspace) o portico solare (sunporch).

Si usa sia per far crescere le piante che per il conforto residenziale in inverno. Combina il guadagno diretto ed indiretto, facendo entrare la luce del Sole nella stanza attraverso un vetro che affaccia a Sud ed assorbendo la radiazione su un muro di mattone nella stanza. (Questa è l'origine del termine “l'effetto serra)

 4.2.2. 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 la Svezia, sono da tempo la tipologia di sistema solare predominante. I sistemi solari combinati sono più complessi di quelli utilizzati solamente per scaldare l'acqua, avendo anche collegamenti ed interazioni con sistemi esterni all'impianto solare (in particolare con l’impianto di riscaldamento e l’edificio). Proprio queste interazioni influenzano notevolmente i rendimenti complessivi della parte solare del sistema. La complessità degli impianti ha portato a realizzare numerose tipologie impiantistiche. Oggi, nonostante l'esperienza sul campo e con progettazioni sempre più complesse, resta ancora un enorme potenziale per la riduzione dei costi, per il miglioramento delle prestazioni e dell'affidabilità.

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.

 4.2.3. 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.

 4.3 Solare termico ad alta temperatura

Detto anche “solare termodinamico”, viene utilizzato 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.

Le tecnologie ad alta temperatura più utilizzate sono: gli specchi parabolici lineari, le torri solari ed i sistemi a concentratori parabolici indipendenti.

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.

L'uso di un sistema di collettori più sofisticato paragonato a quello rappresentato nella figura che segue permette al fluido di lavoro di raggiungere una temperatura più alta.

  

Rappresentazione schematica di un sistema di deposito di energia solare.

 Tale sistema può quindi essere usato per produrre l'elettricità. Esso è illustrato nella seguente figura.

  

Rappresentazione schematica di una pianta di generazione di calore termale solare.

 

Un impianto di energia termale solare è essenzialmente identico ad un ordinario impianto di energia a vapore eccetto che esso prende il calore dalla radiazione solare piuttosto che dalla combustione o fissione nucleare.

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.

Temperature alte come quelle degli impianti convenzionali possono essere raggiunte facilmente con la tecnologia della torre solare. In essa, un sistema di specchi controllatati dal computer (chiamati eliostati) catturano il Sole attraverso il cielo in modo che la luce del Sole riflessa da tutti gli specchi cada su una torre centrale che contiene acqua o combustibile o, nei progetti più recenti, un sale di moldene. A Barstow, in California, circa 1900 eliostati sono stati usati per rialzare la temperatura dell’acqua a 510°C e l’impianto Solar One di 10 MW(e) aveva un'efficienza complessiva paragonabile a quella di impianti di potenza convenzionali. Ed il nuovo Solar Thu di 10 MW(e) nella stessa località viene pubblicizzato oggi come l’impianto di energia solare più tecnicamente avanzato del mondo. Esso usa un sale di moldene come fluido di trasferimento di calore. Il vantaggio è che l'energia termale raccolta durante le ore di Sole può essere immagazzinata in questo sale (vedi Illustrazione 17-2) ed usata nei giorni nuvolosi o di notte. Se ha successo, aprirà la strada ad una nuova generazione di impianti di potenza commerciali.

 4.4 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 collettore 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).

  

4.4.1. 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 collettore a banda piatta normalmente rialza la temperatura del fluido di lavoro a circa 100°C. Un certo numero di collettori a banda piatta messi in serie possono alzare la temperatura del fluido di lavoro a livelli che possono fornire elettricità economicamente competitiva. Per esempio, la massima efficienza della turbina di un impianto di energia di potenza la cui temperatura di vapore in entrata è 200°C sarebbe,

  

Questa è una bassa efficienza, ma il carburante (l’energia solare) è gratis. Una temperatura più alta può essere raggiunta usando collettori che si concentrano, si focalizzano, come fece Archimede per bruciare le navi romane. Con delle parabole attraverso i collettori, ad esempio si possono raggiungere temperature di vapore fino a 300-400°C. Questa tecnologia è normalmente competitiva in quanto al costo in alcuni mercati.

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.

  

4.5. 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 800 m² per alimentare il sistema di condizionamento degli ambienti di un edificio destinato ad uffici. L'impianto, della potenza di 50 kW, copre completamente il fabbisogno di energia per gli impianti di condizionamento, il 10% della richiesta di elettricità per l'illuminazione e parte dell'energia termica necessaria al riscaldamento invernale.

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 raffreddamento di grandi edifici come alberghi, ospedali ed edifici commerciali e industriali.

 

5. Mercato

5.1. Il mercato del solare termico mondiale

Nel mondo sono installati oltre 30 milioni di metri quadri di pannelli solari di cui oltre 6 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 25.000m², molto pochi anche rispetto a paesi più freddi (per esempio l'Austria) ma più sensibili a questioni economico ambientali.

Il parco del solare termico in Italia è, al 2000, di circa 350.000m² (circa 6 m2 di pannelli solari ogni 1.000 abitanti), l'utilizzo maggiore è dovuto all'utenza domestica, ad impianti di prevalente utilizzo estivo ed alle piscine.

 5.2. Paragone con altre fonti

L'energia solare presenta caratteristiche molto interessanti: è molto diffusa (anche se ha una bassa densità, raggiungendo in media 1 kW/m² solo nelle giornate di cielo sereno), è "silenziosa", non è inquinante e permette di ottenere immediatamente un fluido caldo che può essere usato per i più svariati scopi (acqua calda sanitaria, riscaldamento, vari usi industriali).

 5.3. Risparmio energetico (ed economico) con i collettori solari

In Italia l'acqua calda sanitaria è per la maggior parte dei casi prodotta con scaldabagni elettrici o caldaie a gas; mediamente si consumano circa 50 litri al giorno pro capite, alla temperatura di circa 45°C.

Ipotizzando una temperatura dell'acqua proveniente dall'acquedotto pari a 15°C si può calcolare il quantitativo pro capite Q, di energia consumata per il riscaldamento dell’acqua:

 Q = m *cs *(Tu - Ta ) = 50 kg * 4,186 kJ/kg °C * 30 °C = 6279 kJ = 1,74 kWh (termici)

 Avendo indicato con:

  • m, massa d'acqua da scaldare [kg]
  • cs, calore specifico dell'acqua [kJ/kg°C]
  • Tu, temperatura di utilizzo dell’acqua calda[°C]
  • Ta, temperatura dell’acqua dell'acquedotto [°C].

Nel caso di utilizzo di uno scaldabagno elettrico, la produzione di acqua calda sanitaria comporta una doppia trasformazione energetica. In una prima fase (principalmente in centrali termoelettriche) occorre produrre energia elettrica da fonti fossili. L'energia elettrica prodotta, poi, trasportata all'utenza, dovrà a sua volta trasformarsi in energia termica nello scaldabagno (per effetto Joule) per essere conferita all'acqua.

Per produrre con uno scaldabagno elettrico 1,74 kWh (termici) sono necessari circa 1,93 kWh elettrici supponendo l'efficienza di conversione dello scaldabagno elettrico pari al 90%. Una famiglia di quattro persone utilizza, quindi 7,72 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 dalle 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, si ottiene che per produrre l'acqua calda necessaria per soddisfare il fabbisogno pro capite quotidiano sono necessari

 2,54 * 1,93 = 4,90 kWh primari

 (per una famiglia di quattro persone sono 19,60 kWh primari).

Quindi solamente il 35% dell'energia primaria viene effettivamente utilizzata dall'utente!

Nel caso di produzione di acqua calda mediante caldaia a gas si ha una resa energetica migliore, perché si evita la conversione più energivora: quella da energia termica ad energia elettrica. La produzione di calore e il conseguente riscaldamento dell'acqua sanitaria avviene infatti per combustione diretta del metano. Nel caso di rendimento del 80% (valore cautelativo), per produrre 1,74 kWh (termici) sono quindi necessarie in un giorno 2,18 kWh (termici) pro capite. Per una famiglia di quattro persone 8,72 kWh (termici).

Nel caso in cui si utilizzi l’impianto ibrido: scaldabagno elettrico integrato da collettori solari, si riesce in media a risparmiare il 60% della energia necessaria nel caso di impianto con solo scaldabagno elettrico. Quindi i consumi pro capite quotidiani scendono a 1.97 kWh (7,88 kWh per un famiglia di quattro persone).

Nel caso in cui si utilizzi l’impianto ibrido: caldaia a gas integrata da collettori solari, si ottiene anche in questo caso che i consumi di metano ammontano mediamente solo al 40% di quelli che si avrebbero con sola caldaia. Quindi i consumi pro capite quotidiani scendono a 0.87 kWh (termici) (3,48 kWh (termici) per un famiglia di quattro persone).

Se facciamo il confronto tra il fabbisogno energetico delle varie soluzioni: nel passaggio dallo scaldabagno elettrico all’impianto con caldaia a gas integrata da collettori solari, il consumo energetico pro capite diminuisce da 4,90 a 0,87 kWh.

E' il caso più eclatante, che porta ad una riduzione dell'82% del consumo energetico, a parità di servizio!

Nel confronto tra l’impianto con la sola caldaia a gas ed il sistema caldaia-collettore si nota come il consumo passi da 2,18 kWh a 0,87 kWh giornalieri, con una riduzione del 60% del consumo energetico.

Infine nel passaggio dal solo scaldabagno elettrico ad uno scaldabagno integrato da collettori solari, il consumo energetico scende da 4,93 a 1,97 kWh, con una riduzione del 60% del consumo energetico.

Dai risparmi energetici si può risalire velocemente ai risparmi economici; infatti in base alla quantità di acqua calda prodotta annualmente si può determinare il numero di anni in cui l’investimento iniziale sarà recuperato. Se l'impianto solare integra la caldaia per un 60÷70% il risparmio annuo di una famiglia di quattro persone oscilla tra i 250 e 350 € ed in 5 anni si ammortizza una spesa di 1.300-1800 €.

 

6. Sviluppi del mercato

La fonte solare ha grandi possibilità di contribuire in misura significativa alla diminuzione dell'impiego delle fonti fossili. Possiede le caratteristiche adeguate per sostituire del tutto od in parte il metano e l’energia elettrica nella produzione di acqua calda sanitaria.

Il solare termico è ormai competitivo in diverse applicazioni, soprattutto ove è in grado di sostituire non solo il combustibile ma anche gli impianti convenzionali.

C’è da aggiungere che tra le varie tecnologie di utilizzo delle energie rinnovabili è quella col minore costo unitario di impianto, grazie alla relativa semplicità tecnologica di un impianto solare termico.

 6.1. In Italia

È quanto mai necessario promuovere la diffusione del solare termico, in quanto tale tecnologia, a livello internazionale sufficientemente matura, trova in Italia condizioni particolarmente favorevoli, quali l'esposizione climatica, l'idoneità della maggioranza degli edifici ad uso residenziale, la prevalenza nel riscaldamento dell'acqua sanitaria dell'uso dell'elettricità (si stimano che siano ancora esistenti in Italia circa 10.000.000 di scaldabagni elettrici!).

Le previsioni dell'Unione Europea ritengono possibile entro il 2010 l'installazione di circa 3 milioni di m2 di pannelli in Italia.

L’indicazione di questo obiettivo di sviluppo del mercato nazionale si basa sull'ipotesi di una crescita del tipo avvenuta in Austria, che porterebbe ad un parco totale installato di circa 500.000 m2 entro qualche anno, 1-1,5 milioni di m2 al 2006 e 3 milioni di m2 al 2008-2012. Intorno al 2010, poi, si dovrebbe avviare anche un mercato di sostituzione che porterebbe ad un incremento della capacità produttiva che potrebbe gradualmente accrescersi fino a circa 250.000 m2 all'anno.

Al fine di incoraggiare ed accelerare la diffusione del Solare termico sono in vigore, in Italia, leggi e agevolazioni economiche. Già con la legge 10 del 1991 si incentivavano gli impianti ad energie rinnovabili, ma la scarsa applicazione di questa legge ha portato alla promulgazione di ulteriori provvedimenti atti ad incentivare lo sviluppo del solare termico.

A livello nazionale il ministero dell’ambiente ha emanato un bando atto ad incentivare l’installazione dei collettori solari rivolto ad enti pubblici, comuni ed aziende distributrici del gas; in questo caso i finanziamenti coprono, in conto capitale, il 30% della spese di installazione dell’impianto.

Per i privati sono stati stanziati dei fondi (da Ministero dell’ambiente e Regioni) che saranno erogati tramite appositi bandi regionali; i contributi, in conto capitale, copriranno il 25-30% delle spese di installazione.

Inoltre per la parte non coperta dal contributo regionale, esistono degli accordi con vari istituti bancari che si impegnano ad erogare finanziamenti a medio termine a tassi vantaggiosi.

Per tutti i soggetti l’aliquota IVA risulta agevolata: pari al 10%, in quanto l’intervento rientra in quelli presenti in uno speciale elenco (interventi in cui prevalgono la attività di progettazione, manutenzione, ecc. rispetto al valore del bene).

È possibile infine usufruire (cumulabile con il contributo regionale) anche della detrazione IRPEF del 36%, valida per i soli cittadini, istituita per interventi di manutenzione ordinaria, straordinaria e di recupero sul patrimonio edilizio (compresi, quindi, gli interventi di risparmio energetico). La detrazione IRPEF si applica sull'intero importo della fornitura, comprensiva dell'IVA del 10% e dovrà essere ripartita in 5 anni.

Vi è infine un ulteriore incentivo fiscale per i privati (al dire il vero poco diffuso): in alcuni comuni vi è uno sconto sull’ICI.

Soggetti interessati e benefici:

  • Persone giuridiche, pubbliche o private, proprietari di edifici residenziali: contributi statali e/o regionali in conto capitale (bandi regionali), IVA con aliquota ridotta al 10%.
  • Persone fisiche, private, proprietari o conduttori di abitazioni in edifici residenziali: contributi regionali in conto capitale (bandi regionali), IVA con aliquota ridotta al 10% e detrazione IRPEF del 36%.

 

6.2. Curiosità

A Monsano (An), piccolo comune delle Marche conosciuto per la spiccata sensibilità ambientale, si sta sviluppando il progetto di installare pannelli solari sulle abitazioni private; in particolare la parola d'ordine è "un pannello solare per ogni tetto", primo passo verso la completa "solarizzazione" di tutto il paese.

Nel comune ci sono circa duemilaottocento residenti, per un migliaio di abitazioni ed altrettanti tetti su cui installare collettori che trasformino l'energia del sole in acqua calda, utilizzabile anche per riscaldare gli ambienti domestici.

 

7. Rapporto con l'ambiente

I sistemi solari termici specialmente se integrati negli edifici, come lo sono per la stragrande maggioranza, non hanno praticamente impatto ambientale (se non per i processi industriali di produzione dei pannelli!) e sono oggi particolarmente ben visti da tutta l'opinione pubblica.

La loro silenziosità, l'assenza di qualsiasi emissione, il loro sfruttare direttamente l'energia solare, hanno giustamente contribuito alla creazione di quella immagine di energia "pulita" a cui sono associate tutte le tipologie di pannelli solari. I benefici ambientali ottenibili dall’adozione di sistemi solare termico sono proporzionali alla quantità di energia prodotta, supponendo che questa vada a sostituire dell'energia altrimenti fornita da fonti convenzionali. In particolare, il parametro di confronto tra le diverse tecnologie a disposizione può essere la quantità di anidride carbonica mediamente immessa nell'ambiente per produrre, nelle stesse condizioni, acqua calda sanitaria.

 

7.1. Riduzione delle emissioni di CO2

Bruciando combustibili fossili (soprattutto carbone, metano e petrolio) per far funzionare le macchine, gli uomini hanno immesso anidride carbonica nell’atmosfera. Le misure iniziali  della concentrazione di anidride carbonica riportate nel grafico sono riferite agli albori della rivoluzione industriale, verso la metà del XIX secolo. In seguito la concentrazione di anidride carbonica, come si vede nello stesso grafico, segue una progressione esponenziale . Se questa progressione continuerà al ritmo degli ultimi anni, le concentrazioni di anidride carbonica potranno produrre sensibili modificazioni sul clima mondiale.

Il fabbisogno di energia elettrica di un'utenza monofamiliare (4 persone) per produrre acqua calda sanitaria con uno scaldabagno elettrico è pari a 7,72 kWh/giorno. In Italia, per produrre un kWh elettrico, le centrali termoelettriche emettono nell'atmosfera in media 0,70 kg di anidride carbonica (CO²) (fonte ENEL), uno dei principali gas responsabili dell'effetto serra.

Pertanto, lo scaldabagno in esame è responsabile dell'immissione nell'atmosfera di:

 0,70 kg CO² / kWh * 7,72 kWh/giorno = 5,40 kg CO²/giorno

 Questo significa che, per la sola acqua calda sanitaria, utilizzando lo scaldabagno elettrico, una famiglia immette quotidianamente nell'ambiente 5,40 kg di CO² (con una media pro capite di 1,35 kg/giorno).

Nel caso di una caldaia a metano, nella combustione si formano 0,25 kg CO² per ogni kWh (termico); una famiglia di 4 persone dà quindi origine alla seguente produzione giornaliera di anidride carbonica:

 0,25 kg CO² / kWh * 6.96 kWh/giorno = 1,74 kg CO² /giorno

 Utilizzando lo scaldabagno a metano si immettono quotidianamente nell’atmosfera 1,74 kg di CO² (0,43 kg/giorno pro capite): valore già molto più piccolo di quello dello scaldabagno elettrico.

Se fosse possibile con i collettori solari sostituire completamente lo scaldabagno elettrico o la caldaia a metano otterremmo rispettivamente un risparmio globale di 5,4 kg di CO² e 1,74 kg di CO² (al giorno).

Nella realtà non sarà però possibile sostituire completamente lo scaldabagno elettrico o la caldaia a causa della variabilità delle condizioni climatiche durante l’anno. Quindi si dovranno usare delle soluzioni “ibride” che permetteranno comunque di ottenere degli ottimi vantaggi assicurando lo stesso comfort durante tutto l’arco dell’anno.

Nel caso di impianti ibridi solare-gas, ossia collettori solari posti ad integrazione della caldaia a gas, è possibile risparmiare, per esempio a Roma, il 60% del consumo di gas.

La stessa famiglia produrrà, allora, giornalmente solamente 0,69 kg di CO² (con una media pro capite di 0,174 kg).

Quindi tra il caso di impiego della sola caldaia a metano e quello di impianto ibrido si verifica una riduzione di 1,05 kg di CO² al giorno (0,26 kg di CO² pro capite).

Invece nel caso di impianti ibridi solare-elettrico, ossia impianti solari posti ad integrazione dello scaldabagno elettrico, otteniamo (nelle stesse ipotesi del caso precedente) una riduzione di 3,2 kg di CO² al giorno (0,80 kg di CO² pro capite).

 7.2. Impatto visivo

L'integrazione dei collettori solari nelle coperture negli edifici privati permette a questi impianti di essere virtualmente invisibili, oppure di ottenere notevoli soluzioni architettoniche con le facciate solari, i parapetti solari ecc..

Una soluzione molto particolare, che ha ingombro nullo e notevole praticità di utilizzo è quella che utilizza le superfici finestrate esposte a sud per riscaldare acqua nell'intercapedine interna di un infisso a triplo vetro: purtroppo l'impianto è costoso, fragile e richiede una circolazione forzata.

 

Ultimo aggiornamento Venerdì 18 Marzo 2011 02:16