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Giuseppe Langella » 21.Gli impianti solari termici


Gli impianti solari termici

Gli impianti solari termici rappresentano la forma più semplice di sfruttamento dell’energia solare. Essi convertono l’energia proveniente dal sole attraverso il fenomeno dell’irraggiamento solare, in energia termica. Tale energia viene raccolta attraverso un fluido termovettore, di solito acqua, più raramente aria, che si riscalda attraversando il collettore solare e quindi trasporta l’energia termica alle diverse utilizzazioni, dai sistemi per la produzione di acqua calda sanitaria ai sistemi di riscaldamento a bassa temperatura.

La tecnologia solare offre oggi altre due principali modalità di sfruttamento dell’energia solare rappresentate dagli impianti solari fotovoltaici e da quelli termodinamici. I primi convertono direttamente l’energia solare in energia elettrica, sfruttando l’effetto fotovoltaico, realizzabile in materiali semiconduttori, tra cui il più utilizzato è il silicio. I secondi si fondano su due caratteristiche peculiari: la concentrazione dei raggi solari su superfici captanti al fine di raggiungere temperature del fluido termovettore anche di 600°C, e l’utilizzo del calore ottenuto ad alta temperatura, in un ciclo termodinamico per la conversione in energia meccanica.

Il collettore solare

L’elemento principale dell’impianto è rappresentato dal collettore solare (pannello solare) che realizza la conversione dell’energia solare che raccoglie,  in calore.

Il pannello solare più comunemente installato è il collettore solare piano vetrato. Esso presenta  una intercapedine tra una superficie trasparente, la superficie vetrata  e una  assorbente, caratterizzata quest’ultima da un elevato coefficiente di assorbimento. Tale pannello è utilizzato per riscaldare l’acqua a temperature medie di utilizzo comprese tra 45 e 65°c.

La tecnologia del “solare termico” offre inoltre  altre tipologie di collettori:

  • collettori non vetrati scoperti
  • collettorei sottovuoto
  • collettori a concentrazione
Esempio di collettori solari piani con sistema a circolazione naturale. Immagine da Wikimedia commons

Esempio di collettori solari piani con sistema a circolazione naturale. Immagine da Wikimedia commons


Il collettore solare

I collettori non vetrati scoperti sono tra i più semplici e meno costosi, in quanto costituiti da tubi in materiale plastico,  ma forniscono prestazioni accettabili solo se utilizzati durante la stagione estiva.

I collettori sottovuoto vengono prodotti  togliendo l’aria nell’intercapedine tra i condotti del fluido termovettore e la copertura in vetro. Così facendo si riducono le fuoriuscite termiche  ed è possibile lraccogliere calore in ambienti più freddi e con temperature del fluido riscaldato più elevate (70-80 °c). Questa tipologia è sicuramente più efficace del collettore vetrato piano, ma di contro è più delicata e costa di più;

I collettori a concentrazione hanno  la caratteristica di essere dotati di un elemento assorbitore lineare o puntuale sul quale viene concentrata la radiazione solare tramite una superficie a specchio concentratratrice. Tale sistema viene utilizzato per la produzione di calore ad alta pressione e temperatura (100-250 °c).

Il collettore solare

Il componente fondamentale del collettore è la lamina assorbente, che ha la scopo di assorbire la radiazione solare incidente e di convertirla in calore. É fatta da una sottile piastra di metallo che conduce molto bene il calore , di solito di rame (sono disponibili anche assorbitori in lega rame-alluminio oppure in acciaio al nickel-cromo), ricoperta  o trattata con un layer di materiale selettivo così da consentire un alta percentuale di assorbimento della radiazione solare e per ridurre le perdite di calore verso l’ambiente. L’energia termica  raccolta nell’assorbitore, viene trasferita a un fluido termovettore (acqua o una miscela di acqua e antigelo) che fluisce in appositi tubi di rame fissati o saldati sulla superficie posteriore dello stesso.

Il ”pannello” solare è munito di una copertura trasparente (vetro o materiale plastico) disposta frontalmente alla lamina assorbente, che ha il compito di trattenere l’energia termica all’interno, consentendo però nel contempo il passaggio della radiazione solare. Inoltre, è dotato di una coibentazione (isolamento termico) laterale e posteriore che ha il compito di ridurre al minimo la dispersione di calore verso l’ambiente esterno.

Configurazioni di impianto

La configurazione ottimale per un impianto solare termico è definita sulla base dei fabbisogni dell’utenza, della posizione geografica e delle condizioni climatiche del luogo d’installazione. Il flusso termico associato alla radiazione solare, incidente su superfici disposte ortogonalmente ai raggi solari è pari al più a  1000 W/m2. Tale valore è ovviamente disponibile sono in particolari  situazioni climatiche (cielo sereno) e geometriche (non sempre il raggio solare  incide ortogonalmente  alla superficie del collettore, in particolare quando i collettori sono fissi).

Le configurazioni degli impianti solari termici possono essere ricondotte in due principali tipologie: a circuito aperto e chiuso. Negli impianti a circuito aperto il fluido caldo proveniente dal collettore è proprio la stessa acqua, che raggiunta la temperatura desiderata, arriva all’utenza. In quelli a circuito chiuso, invece, il fluido caldo scorre in un circuito chiuso (circuito primario) che cede il calore, attraverso uno scambiatore, all’acqua all’interno di un serbatoio. L’acqua calda così accumulata viene inviata all’utenza tramite un circuito secondario.

Se si considera tutto il parco installato di impianti solari termici, oggigiorno quasi tutti sono a circuito chiuso. La scelta della tipologia a circuito aperto è sconsigliata a causa dei problemi di congelamento dell’acqua e dell’accumulo di calcare nelle tubazioni.

Configurazioni di impianto

Impianti a circolazione naturale.

Il serbatoio di accumulo, dotato al suo interno di scambiatore, viene posto al di sopra del collettore stesso. La circolazione è garantita dalla differenza di densità del fl uido tra il ramo freddo e caldo del circuito chiuso. è una soluzione impiantistica, interamente installata in esterno, semplice, compatta ed economica, adatta prevalentemente per piccoli impianti.

Impianti a circolazione forzata

Per impianti di taglia medio-grande e in previsione di un utilizzo durante tutto l’anno, è da preferire lo schema a circolazione forzata con pompa di ricircolo del fl uido, che permette di svincolare completamente il posizionamento dei collettori dal sistema di accumulo. Tale soluzione garantisce anche una migliore integrazione architettonica e un migliore risultato estetico, consentendo di collocare il serbatoio in un idoneo locale tecnico e non sul tetto.

Le applicazioni

Le applicazioni degli impianti solari termici  riguardano principalmente:

  • la produzione di acqua calda sanitaria a uso domestico e nel terziario (alberghi, palestre,uffici, ecc.);
  • il riscaldamento invernale degli ambienti;
  • il riscaldamento di piscine, coperte e scoperte;il riscaldamento del’acqua per processi industriali a bassa temperatura;
  • l’essiccazione di prodotti agroalimentari;
  • il raffrescamento estivi degli ambienti mediante solar cooling.

La produzione di acqua calda sanitaria a mezzo di  pannelli vetrati piani è sicuramente l’applicazione più frequente: in genere, con l’energia solare si riesce a soddisfare circa il 60-80% della richiesta annua di energia termica. L’utilizzo invece dei collettori non vetrati è più indicato per gli impianti che lavorano prevalentemente nella stagione estiva (generalmente da maggio a settembre), come le piscine a cielo aperto, per le quali il fabbisogno termico può essere soddisfatto quasi integralmente ( 70-90% )con l’energia solare.  Notevoli vantaggi si ottengono abbinando l’impianto solare termico con un impianto di riscaldamento  a bassa temperatura (come  impianti a pavimento, impianti con ventilconvettori, ecc.). In località con un ampio periodo di utilizzo del riscaldamento e in costruzioni ben isolate termicamente (prerequisito fondamentale  per il riscaldamento solare), si può arivare  fino al 25-50% di copertura del fabbisogno termico.

Il dimensionamento di massima

La scelta ottimale della taglia e dei componenti di un impianto solare termico è il risultato del bilancio tra l’energia termica che può produrre l’impianto e la richiesta di calore dell’utenza. La produzione di energia termica utile di un anno di un impianto solare termico, dotato di una data  superficie captante, può essere valutata con buona approssimazione attraverso un procedimento calcolo che considera:

  • la radiazione solare annua ottenibile nella località considerata;
  • un parametro correttivo calcolato in funzione dell’orientamento, dell’angolo di tilt dei pannellisolari ed eventuali ombre ;

  • le prestazioni tecniche dei collettori solari, del serbatoio, degli altri componenti dell’impianto e dell’efficienza del sistema di distribuzione

Nel caso di una utenza familiare il fabbisogno termico per la produzione di acqua calda sanitaria, alla latitudine di Napoli,  viene coperto con la installazione di circa 1 m2 di collettore per persona.

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