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DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA AGRARIA

Ph. D. Davide Facchinetti

Corso di Meccanizzazione Agricola e Sistemi Energetici – Mod. 2

L’energia solare in agricoltura


Radiazione solare globale in Italia

PhPh. D. Davide Facchinetti . D. Davide Facchinetti Corso di Meccanizzazione Agricola e Sistemi Energetici Mod. 2

DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA AGRARIAPhPh. D. Davide Facchinetti . D. Davide Facchinetti

Corso di Meccanizzazione Agricola e Sistemi Energetici Mod. 2


Radiazione diretta e diffusa



Andamento annuale della radiazione globale su superfici inclinate



Percentuale di irraggiamento al variare dell'orientamento e dell'inclinazione del collettore



Il fotovoltaico



• Dati:• 8 m2 di pannello fotovoltaico/Kw di picco (Kwp)*• 3Kw 3.600 Kwh/anno 1.200 ore anno (al nord)• 1Kw 1.200 Kwh/anno• Rendimenti del 10-15%

• Rendimento =

• Il record del rendimento è attualmente del 40%

* Riferito alle condizioni standard:

1.000 w/m2 + T° cella 25°C + vento 0 m/s

energia _ prodottaenergia _ ricevuta



Perdite energetiche medie nella cella fotovoltaica



Rendimento medio delle celle fotovoltaiche commercialiIl modulo monocristallino è il migliore

È il più costoso

Adatto a chi ha un po' meno spazio

Produce di più

Il modulo policristallino è meno pregiato

Produce leggermente di meno

Occupa una superficie maggiore

Costa meno

Il silicio amorfo è il meno costoso

Produce di meno

Maggiore decadimento

Il più adattabile a superfici diverse (pellicole, finestre ecc)



• Per un impianto da 50 Kwp, che produca circa 60.000 Kwh/anno, servono circa 400 mq.

• Rovesciando il ragionamento, se avessi a disposizione 1 ha di terreno, si potrebbe ottenere una potenza di: 10.000/8 = 1.250 Kw

e si potrebbero produrre circa:1.250 Kw x 1.200 h = 1. 500.000 Kwh/anno, cioè 1,5 Mwh/anno

• Tenendo conto degli spazi sprecati tra i pannelli ecc., la produzione potrebbe aggirarsi intorno a 0,4 MWh/anno

• Occorre tener conto di diversi elementi:

1. Tipo di silicio. Amorfo = 15-20 mq/Kw; Cristallino = 7-9 mq/Kw

2. Latitudine. Nord: 1.100-1200 Kwh/Kwp

3. Orientamento e inclinazione: la migliore 30° S-O e 30° vert.



Costo dell’impianto:• Moduli:

Policristallino = 2.900-3.150 €/KwpMonocristallino = 3.000-4.100 €/KwpAmorfo = 2.100-2.600 €/Kwp (per moduli flessibili)

• Inverter: 350-450 €/Kwp

• Strutture fisse 100-300 €/Kwp, • Strutture a inseguimento solare • monoassiale 900-1500 €/Kwp, • biassiale 1.600-2.500 €/Kwp

Cella monocristallina Cella policristallina

Modulo con celle in silicio amorfo

Inverter (con inseguimento)

Inseguimento monoassiale Inseguimento biassiale



Una nuova tecnologia è il fotovoltaico a concentrazione (HCPV) che concentra con una lente il sole in pochi mm2 di silicio e permette un rendimento del doppio rispetto al fotovoltaico tradizionale.Questo modello (in fotografia) permette l'applicazione anche su tetti piani o poco inclinati.Trattasi quindi di un sistema a inseguimento di piccole dimensioni e di facile montaggio. I moduli inseguono sempre il sole e sono in grado di fornire quasi il 30% di rendimento (il FV tradizionale arriva malapena al 16%).

I suoi vantaggi sono molteplici:- ottima tariffa incentivante - pochissimo silicio impegnato- altissimi rendimenti

Questa tecnologia già sviluppata in altri paesi solo ora sta approdando in Italia.

Confronto tariffe



Il conto energia• Le tariffe sono erogate per un periodo di vent’anni, a decorrere dalla data di

entrata in esercizio dell’impianto

Il conto energiaPer gli impianti che entreranno inesercizio dal 1° gennaio 2009 al 31dicembre 2010, i valori indicati nellatabella precedente saranno decurtatidel 2% per ciascuno degli anni dicalendario successivi al 2008,rimanendo poi costanti per il periododi venti anni di erogazionedell’incentivo.

In aggiunta all’incentivo, il soggetto responsabile dell’impianto può contare su un ulteriore vantaggio economico, utilizzando l’energia prodotta per:

1. la cessione in rete2. i propri autoconsumi3. lo scambio sul posto con la rete elettrica (per i soli impianti di potenza fino a 20 kW).



Il conto energiaPrezzi di vendita dell’energia elettrica:1- Vendita dell’energia alla tariffa minima garantita (< 2 Mwh),

oppure tariffa zonale a tempo (>2 Mwh)2- Scambio sul posto: solo per potenze < 20 Kw. Saldo tra energia prodotta e consumata. Se il saldo è favorevole, si può portare in detrazione per i 3 anni successivi.

Dopo viene annullato. E’ evidente che questa tipologia ha come obiettivo l’abbattimento di costi, ma non la vendita.



Il solare termico

Nel 1902 Oggi



Schema di principio



Il sistema solare termico può avere due tipi di circolazione: naturale o forzata.

Circolazione naturalePer far circolare il fluido vettore nel pannello solare con circolazione naturale si sfrutta la convezione.

Il fluido vettore utilizzato nel circuito primario è glicole propilenico atossico (il comune liquido antigelo)mescolato con l’acqua per garantire la resistenza al gelo. Il liquido quando si riscalda all’interno del pannellosolare aumenta di volume e galleggia rispetto a quello più freddo che si trova nello scambiatore delserbatoio di accumulo.

Galleggiando, quindi, si sposta nello scambiatore posto più in alto rispetto al pannello solare cedendo ilcalore all’acqua sanitaria presente nel secondario.

Il serbatoio viene disposto immediatamente al di sopra dell’altezza dei pannelli solari a cui è collegato. Perfavorire la stratificazione del calore accumulato la disposizione più funzionale del serbatoio sarebbe verticalema risulterebbe antiestetica, quindi viene posizionato in orizzontale.

Il serbatoio di accumulo coibentato è posto all’esterno, ciò porta ad una inevitabile dispersione termica delcalore raccolto, ed è consigliato il suo utilizzo in regioni con temperature notturne non rigide (è sconsigliatonelle zone a nord o montuose).

Negli ultimi prodotti immessi nel mercato viene fatta più attenzione all’estetica di tali serbatoi colorandoli dicolor tegola oppure disponendoli direttamente a terra, evitando un loro impatto troppo invasivo sui tetti.



Componenti di un impianto a circolazione naturale

Schemi di impianti a circolazione naturale



Circolazione forzata

In un impianto solare a circolazione forzata la circolazione del liquido vettore avviene con l’aiuto di pompenel momento in cui nei pannelli il fluido vettore si trova ad una temperatura più elevata rispetto a quelladell’acqua del serbatoio di accumulo.

Per regolare la circolazione, quindi, vi sono dei sensori che misurano e confrontano la temperatura delfluido vettore nel collettore (pannello) con quella del serbatoio di accumulo (termocoppia).

In questi impianti ci sono meno vincoli di vicinanza per i serbatoi di accumulo rispetto a quelli a circolazionenaturale, quindi spesso possono essere posizionati non nelle vicinanze del pannello ma all’internodell’impianto termico.

La maggiore velocità del fluido permette infatti un maggiore scambio termico, questo porta adun rendimento del pannello leggermente superiore.

Il circuito collegato al pannello è separato da quello dell’acqua riscaldata posizionando come scambiatore dicalore una serpentina nel serbatoio.

Ci possono anche essere due serpentine nel caso si voglia anche preriscaldare il fluido dell’impianto diriscaldamento tramite l’acqua del serbatoio.

In caso di insufficiente o assente (nelle ore notturne) irradiazione solare si può inoltre integrare unaresistenza elettrica per riscaldare l’acqua



Schemi di impianti a circolazione forzata



Differenza tra i sistemi

Il sistema a circolazione naturale ha costi più bassi rispetto a quello a circolazione forzata. Infatti non vi èalcun consumo elettrico richiesto invece dalla pompa di circolazione e dalla centralina solare differenziale delsistema a circolazione forzata.

La circolazione naturale, rispetto a quella forzata, è più sensibile a perdite di carico del circuito primario. Perquesto i sistemi sono compatti, il serbatoio di accumulo deve essere posizionato molto vicino al pannellosolare.

Schema riassuntivo (che ha valore puramente indicativo):



I pannelli solari possono essere costruiti in diversi modi:- collettori piani vetrati- pannelli solari piani non vetrati- sottovuoto- vetrati con aria calda- scoperti

I collettori piani sono i più utilizzati per ottenere le basse temperature (tra i 50 °C e i 90 °C) in quanto si ottengono facilmente facendo riscaldare al sole delle superfici piane.



I pannelli scoperti sono senza vetro, l’acqua scorre direttamente all’interno dei tubi del pannello dove vieneriscaldata dai raggi solari ed è pronta per essere usata. Lo svantaggio di questi pannelli è che, non essendocoibentati, funzionano con una temperatura ambiente di almeno 20 °C (al di sotto il bilancio tra energiaaccumulata ed energia dispersa è sfavorevole), e la temperatura massima dell’acqua non supera quasi mai i40 °C.

I pannelli solari piani non vetrati sono poco costosi e hanno un ottimo rendimento in condizioni ottimali diirraggiamento quando la temperatura esterna è alta.

A causa della mancanza dell’isolamento, però, il loro rendimento diminuisce rapidamente all’allontanarsidalle condizioni ottimali. Sono quindi più adatti ad un uso stagionale per la produzione di acqua caldasanitaria, ad esempio per riscaldare piscine.



I pannelli solari piani vetrati hanno un vetro che ricopre la parte superiore dell’assorbitore che ha lo scopo dilimitare le dispersioni sia per convezione con l’aria che per irraggiamento.

Hanno un rendimento inferiore ai non vetrati in condizioni ottimali, viceversa hanno un rendimentodecisamente più alto, in condizioni meno favorevoli, riescono infatti a produrre acqua calda per uso sanitariocirca da marzo a ottobre.



I pannelli solari sottovuoto sono adatti nelle regioni a nord, sono infatti in grado di garantire un maggiore apporto di energia anche in condizioni di basso irraggiamento o basse temperature esterne.

Pannello solare termico con tubi sottovuoto a circolazione naturale e scambiatore di calore



I pannelli solari vetrati con aria calda utilizzano al loro interno aria al posto del liquido. L’aria vienefatta circolare tra vetro e assorbitore o, in alcuni casi, in una intercapedine ricavata tra l’assorbitoreed il fondo di poliuretano isolante.

Sono pannelli solari che sfruttano l’energia del sole perscaldare l’aria al loro interno che viene portata in ambientespinta da un ventilatore alimentato da un pannellofotovoltaico, ottimi per risolvere problemi di umidità nellecase poco frequentate. Non è perciò necessariaalimentazione esterna o costosa energia per riscaldare lapropria abitazione: quando c’è abbastanza soleautomaticamente il pannello comincia ad immettere unflusso di aria calda per riscaldare ed asciugare l’ambiente.

Sono simili ai normali pannelli vetratima in questo caso il fluido vettore èaria anziché acqua, aria che puòcircolare fra vetro e assorbitoreoppure fra assorbitore e fondo delpannello.



Una tipologia particolare di pannelli solari ad aria sono i pannelli di rivestimento, applicabili comenormale rivestimento delle pareti di tamponamento in edifici industriali, commerciali e residenziali.

Non sono vetrati ma hanno una superficie esterna metallica che funge da assorbitore e riscaldal'aria che passa all'interno.

Questa, circolando all'interno dell'intercapedine che si forma tra pannello e parete, può poi essereimmessa all'interno degli ambienti tramite un apposito sistema di aspirazione, contribuendo alriscaldamento e al ricambio d'aria degli ambienti serviti.

Il sistema utilizza 3 componenti, integrati:1. Un raccoglitore di aria calda. 2. Un piccolo ventilatore elettrico3. Un pannello fotovoltaico che produce l´energia per il ventilatore.Il ventilatore viene acceso solo quando c´e sole che produce sufficiente corrente elettrica per convogliare aria calda negli ambienti da servire.



Schemi di impianti solari combinati con impianti termici tradizionali



Condizioni necessarie per l'uso di impianti combinati



Materiale (tipo di pompa e centralina, tipo di pannello, dimensione del serbatoio)

Integrazione o meno/ sostituzione di boiler

Posizionamento (tetto/terra)

Dimensionamento (costo per mq inferiore)

Integrazione in altri lavori (cantiere agevolato)

I fattori di costo sono dati da:

• circa 800-1000 euro iva inclusa per mq, tutto compreso (mediamente, dipende poi dalle condizioni)

• circa la metà o meno se autocostruiti

• circa il 10% in più nel caso dei collettori sottovuoto

Da cui derivano costi medi di:



• Manutenzione annuale o biennale: circa 100 €/10 kWp

• Garanzia contro le intemperie (di solito viene fornita con il prodotto)

• Sostituzione della centralina/pompa (10 anni in media)

Altre spese da preventivare::

Sgravi fiscali: dal 2007 i materiali e la progettazione, accompagnati da un documentidi attestazione o certificazione energetica della casa, costituiscono le voci di costooggetto della detrazione fiscale del 55% in 3 o 10 anni.



Nel caso dell’essiccazione dei foraggi, nelle nostre zone gran parte del lavoro è fatto in campo,dove il fieno è fatto essiccare dall'evaporazione naturale.Così facendo, i consumi energetici (in pratica rappresentati solamente dai consumi delle macchineoperatrici) sono più contenuti, in quanto l’energia è fornita dalla radiazione solare. Il foraggio sostain campo da 2 a 5 giorni, in funzione della massa da essiccare, che varia a seconda dei tagli.Vi sono, però, diversi metodi di essiccazione in due tempi, che prevedono la permanenza in campodel foraggio per un periodo variabile tra 1 e 2 giorni, ed in seguito la sistemazione del foraggiosemi-affienato (umidità 50% sul tal quale) in fienile sciolto o in balle cilindriche, e l’essiccazioneviene terminata con la ventilazione naturale.È possibile anche terminare l’essiccazione con la ventilazione forzata, immettendo aria calda edestraendo l’umidità, abbinando un ventilatore ad un generatore di aria calda.

Per portare un foraggio con umidità iniziale del 50% ad un’umidità finale del 15% occorre asportare0,412 kg di acqua, infatti:

1 kg tal quale = 0,5 kg di sostanza secca + 0,5 kg di acqua

Per ottenere dunque 1 quintale di fieno con umidità finale del 15%, partendo da un’umidità iniziale del 50%, sono necessari circa 6,6 kg di gasolio.



Nelle nostre zone l’aria viene riscaldata di 3-5°C, e la ventilazione si protrae sino al raggiungimentodell’umidità di conservazione (15% sul tal quale). L’importante è portare l’umidità dell’aria al disottodel 75%, per ottenere un foraggio essiccato al 15% di umidità.

In zone con umidità dell’aria più bassa si può usare direttamente l’aria a temperatura ambiente perla ventilazione senza riscaldarla.

Il preriscaldamento naturale dell’aria da utilizzare per l’essiccazione del fieno si può realizzare construtture semplici che sfruttino l’energia solare e l’effetto serra.

Un collettore solare semplificato ad aria è un buon espediente per aumentare la temperaturadell’aria prima del suo ingresso nell’essiccatoio.

Esso si può costruire con una semplice copertura trasparente (es. plexiglas o vetroresina) posta sultetto del fienile, sistemata sopra ad uno strato di colore nero (lo stesso tetto verniciato).

In questa “camera” passa l’aria, spinta da un ventilatore o per convezione naturale (secondo lediverse soluzioni costruttive), riscaldandosi al calore del sole, prima di arrivare al condotto diareazione dell’essiccatoio.



Collettore solare semplificato composto da pannelli trasparentiSovrastanti una superficie nera, montato sul tetto dell’essiccatoio(lato sud)



Altri espedienti consistono nella costruzione di circuiti in film plastici (PE o PVC) trasparenti,tipo tunnel, o tubolari in PE nero, in cui incanalare l’aria esterna perché si riscaldi prima diarrivare in contatto con il foraggio. Per il riscaldamento vero e proprio dell’aria, in aggiuntaall’eventuale collettore solare, è poi conveniente servirsi di un motore con recuperatore di calore, incui, cioè, sia predisposto uno scambiatore che recuperi parte del calore prodotto durante ilfunzionamento del motore stesso.

Un impianto che abbini le due tecnologie, dimensionato per 10 ha di prato, può essere il seguente:

• collettori solari semplificati ad aria appoggiati sul tetto (lato sud) a distanza di 2-3 cm, a formareuna camera d’aria sottostante, per una superficie di 100 m2;• motore diesel da 35 kW con recupero di calore;• ventilatore centrifugo con trasmissione idraulica;• generatore di calore a gasolio da 145 kW.Con tale impianto si riduce la quantità complessiva del gasolio che sarebbe necessario, in quantoparte del calore viene prodotto dal collettore solare, e parte recuperato dal funzionamento delmotore.

Si ottengono così alcuni benefici:• migliori prestazioni dell’impianto, con riduzione della durata dell’essiccazione rispetto allaventilazione con aria non scaldata;• costo energetico inferiore rispetto ad un impianto convenzionale;• il costo di gestione, rispetto ad un impianto tradizionale, si riduce tanto di più quanto aumenta ilnumero di ore di funzionamento annue dell’impianto



Un tunnel posto all’ingresso del condotto di aerazione preriscalda l’aria sfruttando l’effetto serra



Collettore solare composto da un tubo di polietilene nero, collegato al condotto di areazione dell’essiccatoio



Impianti di essiccazione basati sull’utilizzo del SOLARWALL



prototipi di essiccatoi ibridi (solare/gasolio) realizzati nell’ambito del progetto RSN con due modalità di asportazione dell’umidità: per insufflaggio (prototipo a destra della foto) o per depressione(a sinistra).



Impianto con tetto collettore



Vantaggi dei pannelli solari per la produzione di calore

Costo iniziale basso: in un impianto che produce calorel’ammortamento dell’investimenti dipende dall’utilizzo che sifa del calore stesso, spesso per impianti di essiccazioneutilizzati nel periodo estivo o all’inizio dell’autunno in modointensivo si riscontrano dei tempi di ammortamento inferioriai 5 anni. Nell’utilizzo su abitazioni civili gli incentivi fiscali(55% di detrazione Irpef) riducono invece i tempi diammortamento del costo iniziale del 50% rendendoli ancorpiù convenienti.

Risparmio duraturo: oltre alla rapida ammortizzazione deicosti, i pannelli solari termici nel tempo sono uninvestimento che porta ad un risparmio sulla bollettatangibile e duraturo: la durata minima di questi impianti è di15-20 anni.

Ecologici:I pannelli solari contribuiscono a diminuire le emissioni di CO2, di ossidi di zolfo, di azoto, e di pm10 e inoltre contribuiscono alla mancata immissione nell’ambiente di calore.


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