Impianti solari termici

 

NOTA: Gli impianti solari termici, possono beneficiare delle politiche incentivanti sotto forma di detrazioni fiscali ed accesso al meccanismo del Conto Termico 2.0

L’energia solare è la radiazione elettromagnetica prodotta dal Sole come conseguenza dei processi di fusione nucleare.
La radiazione solare rende disponibile sulla superficie terrestre una energia enorme (178.000 miliardi di kWh l’anno), sufficiente a coprire 15.000 volte il consumo energetico annuo mondiale.
Il collettore solare (pannello solare) è un dispositivo atto alla conversione della radiazione solare in energia termica e al suo trasferimento, in genere, verso un accumulatore per un uso successivo.
Il pannello è costituito dai seguenti componenti:

1. copertura trasparente
2. Assorbitore
3. Isolamento
4. Supporto metallico
 
La radiazione solare attraversa la copertura trasparente e giunge all’assorbitore dove si trasforma in calore. Una parte della radiazione solare viene inevitabilmente persa a causa della riflessione della copertura protettiva trasparente (perdite ottiche).
Il sistema a fascio tubiero estrae l’energia captata dalla piastra assorbente tramite un fluido termovettore. Non tutto il calore raccolto nel collettore può essere evacuato dal fluido termovettore a causa di perdite per convezione, conduzione e radiazione.
I collettori solari si dividono in:
  • Collettori solari piani (i più diffusi)

  • Collettori solari sottovuoto (ad assorbitore piano o circolare)

  • Collettori non vetrati plastici

  • Collettori a concentrazione (trattazione separata)

COLLETTORI PIANI
Il collettore è detto piano quando assume una forma parallelepipeda sviluppata in lunghezza e in larghezza e di ridotto spessore, vetrati e non vetrati.

Il pannello solare piano vetrato è composto da:
-    copertura vetrata
-    assorbitore a piastra
-    isolante
-    cassa
-    fondo
-    attacchi tubazioni

COPERTURA TRASPARENTE
È un vetro temprato a basso tenore di ferro. Ha la funzione di protezione meccanica dell’assorbitore. Lascia passare la radiazione luminosa e trattiene quella termica, in tal modo l’aria presente all’interno del collettore si scalda per effetto serra.

ASSORBITORE
È nell’assorbitore che avviene la conversione dell’energia luminosa del sole in calore.
Un fluido termovettore (miscela di acqua e antigelo) circola nei canali saldati solitamente sotto l’assorbitore e trasporta il calore generato nel serbatoio di accumulo.
Per ottenere un trasferimento del calore in maniera efficiente ed uniforme le tubazioni dell’assorbitore non devono essere troppo distanziate (100-120 mm, buon compromesso tra trasporto ottimale del calore, bassa capacità termica, uso ridotto del materiale, basso costo di produzione). Può essere in alluminio, acciaio o rame. Gli assorbitori in acciaio o rame hanno di solito un rivestimento selettivo necessario per ottimizzare l’assorbimento della radiazione luminosa e prevenire la formazione di radiazione termica (riducendo così le perdite).
Un assorbitore deve non solo assorbire molto bene, ma anche reirradiare il meno possibile il suo calore. Le dispersioni per reirradiazione vengono dette anche dispersioni per emissione. Un assorbitore con una normale superficie nera reirradia quasi completamente il suo calore, cioè ha una alta emittività (grado di emissione). Questa reirradiazione di calore viene trattenuta dalla lastra di vetro di copertura in quanto radiazione a onda lunga, ma va a riscaldare il vetro stesso, producendo comunque alte dispersioni di calore.
Aggiungendo una seconda lastra di vetro le dispersioni di calore si ridurrebbero, ma allo stesso tempo si andrebbe a ridurre anche la permeabilità alla luce.
Per risolvere questo problema è stato studiato e sviluppato lo strato selettivo: la sua funzione è di ridurre le dispersioni per reirradiazione al 10-15% di un normale assorbitore nero.
Poiché gli assorbitori riflettono la radiazione solare ed emettono l’energia assorbita devono essere muniti di uno strato con una forte capacità di assorbimento della radiazione solare: strati selettivi in particolare CERMET (ossido di metallo ceramico).

Quando si parla di assorbimento si intende sempre la luce visibile, quando si parla di riflessione si intende sempre la radiazione infrarossa.

 

ISOLAMENTO TERMICO
Ha lo scopo di ridurre le perdite per conduzione e convezione dalle tubazioni del collettore in particolare verso il fondo del pannello.
Nei collettori piani si utilizza lana minerale e/o prodotti sintetici (poliuretano senza CFC);
In alcuni modelli, nell’isolamento termico è contenuto un foglio di alluminio riflettente per limitare ulteriormente le dispersioni laterali e posteriori, anche per la componente di irraggiamento.
L’importanza dell’isolamento termico varia con il tipo di applicazione? La risposta è Sì.

È un tema che affrontiamo ora, ci sono applicazioni estive in cui essendo la temperatura ambiente prossima a quella del fluido termovettore l’isolamento non è necessario. Siamo quasi in condizione di equilibrio termico e quindi perdite ridotte al minimo.
Si distingue dal collettore piano vetrato per la mancanza della copertura in vetro, della cassa e degli strati di isolante.
Non avendo il vetro, la cassa e l’isolamento, le dispersioni crescono sensibilmente al diminuire della temperatura esterna (utilizzabile solo quando Test > 20°C). Viene impiegato soprattutto per riscaldare le piscine in estate (a basse temperature riesce ad avere un rendimento elevato). Viene attraversato direttamente dall’acqua della piscina.
Hanno un costo notevolmente più basso dei pannelli vetrati e l'installazione è molto semplice, al punto da poter essere fatta senza ricorrere a personale specializzato.
L'acqua da riscaldare passa direttamente all'interno dei tubi dell'assorbitore (i tubi svolgono anche funzione di assorbitore).
I materiali usati per costruire i pannelli scoperti sono in genere PVC, neoprene o polipropilene.

COLLETTORI SOTTO VUOTO
Il collettore solare sottovuoto è costituito da una serie di tubi in vetro borosilicato o vetri al sodio. Le estremità di un tubo di vetro interno e di un tubo di vetro esterno vengono fuse tra loro e l'aria è estratta dall'intercapedine.

-    L’assorbitore è collocato nello spazio del tubo più interno protetto, termicamente parlando, dall’intercapedine in cui è realizzato il vuoto.
-    Il principio di base è che in uno spazio senza aria, le perdite per convezione e per conduzione sono ridotte al minimo.
-    Il rendimento dei collettori sotto vuoto è tendenzialmente superiore a quello dei collettori vetrati piani poiché le perdite sono state ridotte.
-    Si può arrivare ad elevate temperature con rese molto buone: i collettori tubolari sottovuoto sono spesso utilizzati per produrre acqua calda ad alta temperatura (T>80°C) utile nei processi di lavorazione.
-    I collettori a tubi sottovuoto sono composti da tubi di vetro poiché questa è l’unica geometria costruttiva che resiste all’alta pressione esterna.

 

Le forze create dal vuoto spinto vengono ben assorbite dalla grande resistenza a compressione della forma geometrica del tubo. All’interno dei collettori a tubo attualmente in commercio rimane una pressione di circa 5-15 mPa, per avere un’idea, la pressione atmosferica sulla terra è di circa 1.000 hPa.

Lo scambio può essere mediato o meno da un fluido.
Flusso diretto: il fluido termovettore scorre direttamente nell’assorbitore che si trova nel tubo sotto vuoto. Tecnologia del tubo di calore (Heat - pipe): il trasporto di calore dall’assorbitore al fluido termovettore ha luogo all’interno di un tubo dal circuito separato.
Il fluido termovettore giunge al collettore idraulico in cui il flusso si ramifica nei vari tubi sottovuoto. Nel tubo sottovuoto sottrae calore all’assorbitore, in questo caso di forma piana, per poi essere convogliato nel collettore idraulico di uscita concentrico a quello di ingresso.

La seconda tecnologia di trasporto del calore inserisce una fase di trasporto di calore intermedia, e viene chiamato sistema Heat-Pipe.
In questo tipo di collettori l’assorbitore è collegato metallicamente con l’heat-pipe (il tubo caldo) per effettuare il trasporto del calore. Il tubo è riempito con un alcool che, a causa della depressione, evapora già a basse temperature. All’estremità superiore del tubo il calore liberato dal processo di condensazione viene ceduto al liquido termovettore che scorre nel tubo superiore di raccolta.
L’alcool, una volta raffreddato e condensato, ricade, per gravità, sul fondo del tubo heat -pipe, ed è pronto ad assorbire nuovo calore.
All’interno del tubo di vetro è collocato un assorbitore di forma circolare. Sulla base del pannello solare è presente uno specchio per convogliare il maggior numero di raggi solari sull’assorbitore. 

 

VANTAGGI DEL COLLETTORE SOTTOVUOTO
-    alto rendimento (specialmente a temperature ambiente molto rigide o con temperature del fluido vettore molto elevate)
-    possibilità di raggiungere temperature più elevate (calore di processo)

SVANTAGGI DEL COLLETTORE SOTTOVUOTO
-    maggiore fragilità del vetro
-    costo elevato
-    tenuta del vuoto negli anni
-    installazione ad incasso non consentita

 

Confrontiamo la produzione specifica in [kWh/mq*anno] per un impianto di produzione di ACS alla temperatura di 50°C e con consumo giornaliero di 250 litri in tre località diverse e con i due differenti tipi di pannello, nelle ipotesi  di avere una superficie netta di 5 mq ed un orientamento a sud con inclinazione di 30°.

Bolzano: collettore piano 512 kWh - collettore sottovuoto 605 kWh - 18%

Milano: collettore piano 510 kWh - collettore sottovuoto 598 kWh - 17%

Messina: collettore piano 690 kWh - collettore sottovuoto 785 kWh - 14%

L’efficienza di un collettore solare ŋ indica il rapporto tra l’energia prodotta in uscita dal collettore sotto forma di calore (di solito fluido termovettore caldo) e quella entrante sotto forma di irraggiamento.
Il fattore di conversione ŋ0 indica l’efficienza del collettore quando la differenza di temperatura media dell’assorbitore e la temperatura ambiente è uguale a zero (solo perdite ottiche – riflessione vetro e assorbitore – assorbimento vetro).
 

TIPOLOGIE IMPIANTISTICHE
Le tipologie impiantistiche che si trovano sul mercato, sono solitamente divise in due grandi famiglie:


-    Impianti a circolazione naturale
-    Impianti a circolazione forzata

 

IMPIANTI A CIRCOLAZIONE NATURALE
Nonostante esista una discreta varietà di soluzioni, anche per questo sottocaso parliamo di quella a scambio termico indiretto.
Una miscela di acqua e antigelo scorre all’interno del collettore per convezione naturale. Scaldandosi si muove dalla parte inferiore a quella superiore per differenza di densità e viene convogliata in una camicia che funge da scambiatore.
Lo scambio di energia tra il fluido riscaldato e l’acqua sanitaria presente nell’accumulatore disposto orizzontalmente fa sì che quest’ultima si scaldi. La miscela di acqua e antigelo invece, una volta raffreddata, si porta nuovamente nella parte inferiore del collettore solare per ricominciare il proprio ciclo.

 

Vantaggi
-    Semplicità di funzionamento ed affidabilità
-    Funzionano con il principio del Low-Flow: producono subito acqua in temperatura
-    Costo limitato di installazione e manutenzione ridotta al minimo

 

Svantaggi
-    Perdita della stratificazione termica
-    Perdita di temperatura dal bollitore in climi freddi se bollitore posto all’esterno
-    Non adatti per medie e grandi utenze
-    Alcuni modelli hanno una resistenza elettrica di supporto!!!!

IMPIANTI A CIRCOLAZIONE FORZATA
Sono costituiti da:
-    Collettore Solare
-    Accumulatore o bollitore solare
-    Gruppo di Pompaggio (termometri, manometro, riempimento e scarica)
-    Centralina con sonde rilevamento temperatura

I sistemi a circolazione forzata sono dotati di una pompa inserita nel circuito idraulico solare che provvede a far circolare un fluido termovettore (acqua e antigelo). Il fluido termovettore proveniente dallo scambiatore posto nell’accumulo, si riscalda all’interno dei collettori solari e trasmette il calore all’accumulatore attraverso uno scambiatore di calore.
La pompa di circolazione è pilotata tramite una centralina elettronica differenziale. Questa, collegata a delle sonde di temperatura, confronta la temperatura dei collettori solari con quella all’interno del serbatoio di accumulo.

Quando la temperatura dei collettori solari è superiore a quella dell’accumulo termico, la centralina alimenta la pompa di circolazione. 
Quando la temperatura dei collettori solari è invece inferiore a quella dell’acqua contenuta nell’accumulo, la centralina ferma la pompa di circolazione.

 

Vantaggi
-    Impiego dell’energia solare anche per altri si (piscine, riscaldamento a bassa temperatura, processi industriali).
-    Varietà negli schemi di impianto. 
-    Buona efficienza grazie alla stratificazione termica nel serbatoio verticale che si mantiene a lungo.

 

Svantaggi
-    Costo Superiore
-    Installazione più complessa

 

Riassumendo
La differenza fondamentale tra i due sistemi presentati consiste nella modalità con cui essi muovono la miscela di acqua e glicole contenuta nel circuito chiuso:


-    I sistemi a circolazione naturale sfruttano la differenza di densità tra acqua calda e acqua fredda
-    I sistemi a circolazione forzata utilizzano una pompa di circolazione

Vediamo nelle immagini che seguono lo schema impiantistico:
 

FROMI STT Studio Tecnico di Ingegneria 

Sede Legale: via E. A. Mario, 5 - 81025 Marcianise (CE)

Sede Uffici: via Greco, 31 - 81020 Capodrise (CE)

P.IVA: 03652700612

  • Twitter Social Icon
  • Facebook Social Icon
  • Google+ Social Icon
  • LinkedIn Social Icon
  • YouTube Social  Icon