SOLARE TERMICO

Sole

Sole

Il valore di insolazione in Italia è compreso tra 1200 e

1750 kWh/m2 all’anno presenta una differenza tra nord e sud intorno al 40%.

http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps3/pvest.php

Collettore solare

Un collettore è formato essenzialmente da un contenitore

(detto carter) nel quale sono inseriti una piastra captatrice

(assorbitore) solitamente in materiale metallico annerito

(lamiera di acciaio o di rame o di alluminio), da una o più lastre di vetro poste al di sopra della piastra captatrice ad

una distanza variabile fra 1 e 2 cm e infine dal coibente

posto fra carter e piastra captatrice.

Il tipo di collettore più comune è il pannello piano costituito da: piastra assorbente, condotti percorsi dal fluido termovettore, lastra di copertura trasparente (può essere assente), isolamento termico posteriore e laterale, struttura di supporto e contenimento.

Collettore solare

Collettore Solare

Il collettore solare è un dispositivo capace di convertire la radiazione solare in energia termica.

In esso si sfrutta il cosiddetto effetto serra: la radiazione

solare (di bassa lunghezza d’onda λ < 3 µ) passa attraverso il vetro mentre la radiazione termica emessa

dalla piastra captatrice (di alta lunghezza d’onda cioè con λ > 3 µ) resta bloccata dalla lastra di vetro.

Collettore Solare

I pannelli solari piani possono essere: - vetrati o scoperti;

- ad aria; - sottovuoto.

Collettore Solare Pannelli a superficie selettiva: La superficie dell'assorbitore di calore viene sottoposta a trattamenti chimici

(ossidazione) o applicazione di particolari sostanze (ossidi neri di cromo o nickel)

selettive all'infrarosso. L’irraggiamento viene meglio trattenuto e si riduce la riflessione. Hanno un ottimo rendimento anche durante la stagione invernale e il loro impiego è consigliato quando si prevede di utilizzarli tutto l'anno (il costo è più elevato). Pannelli a superficie non selettiva: La superficie dell'assorbitore di calore non subisce nessun trattamento specifico, ma

viene semplicemente verniciata in nero. Il loro rendimento è inferiore rispetto a quelli selettivi ed il loro impiego è particolarmente indicato per le seconde case, utilizzate nei mesi estivi, e per le zone

con abbondante insolazione. Ovviamente il costo è inferiore rispetto ai pannelli a superficie selettiva.

Collettore Solare (7)

Pannelli con serbatoio integrato:

In questo tipo di collettori l'assorbitore di calore ed il serbatoio di

accumulo sono un tutt’uno e l'energia solare scalda direttamente l'acqua accumulata.

Sono molto comodi, compatti, economici e, essendo formati da

un unico blocco, di facile trasportabilità ed installazione.

Il loro rendimento è inferiore ai casi precedenti ed è sconsigliato nelle zone dall'inverno lungo e rigido.

N.B. occorre verificare che il tetto sopporti il peso.

Collettore Solare (8)

Pannello con serbatoio integrato

Perdite

Se il calore non viene asportato dal collettore sotto forma di energia utile,

la temperatura continua a salire finché guadagni e dispersioni si bilanciano. Questo significa che tutta la radiazione assorbita va perduta

sotto forma di dispersioni di calore. Questa temperatura viene anche

chiamata temperatura di stagnazione. Già con un’intensità di radiazione di 50 W/m2 il collettore si riscalda di 9,4 K al di sopra della

temperatura ambiente. Diventa quindi chiaro che all’interno di un collettore con una radiazione media di circa 500-600 W/m2 si possono

raggiungere temperature che possono creare problemi dal punto di vista

della sicurezza.

Assorbitore Per risolvere questo problema è stato sviluppato lo strato selettivo: la sua funzione è di ridurre le dispersioni per re-

irradiazione al 10-15%.

Materiale fattore di

assorbimen

to a fattore di

emissione

e procedimento superifici

e

vernice

opaca 0,95 0,88 a pennello o a

spruzzo non

selettiva vernice

solare 0,95 0,86 a pennello o a

spruzzo non

selettiva Al2O3

pigmentato

con Ni 0,90-0,92 0,10-0,18 galvanico selettiva

acciaio inox

con strato

selettivo 0,80-0,90 0,12-0,17 galvanico selettiva

Tinox,

sunselect,

black cristal

ecc.

> 0,90 < 0,10 vaporizzato

sottovuoto

oppure sputter selettiva

Collettori ad aria

Sono collettori del tutto simili ai normali pannelli vetrati ma in questo

caso il fluido termovettore è aria anziché acqua, aria che può circolare fra vetro e assorbitore (alettato) oppure fra assorbitore e fondo del

pannello.

Collettori a concentrazione I collettori solari a concentrazione sono collettori concavi

progettati per ottimizzare la concentrazione dell’energia solare in un punto ben determinato (fuoco). Questo tipo di

collettore, potendo raggiungere alte temperature (400-

600°C), è utilizzato per generatori solari o centrali elettro-solari.

Collettori sottovuoto In ciascun tubo vetrato sottovuoto è presente un assorbitore e un tubo in

cui scorre il fluido vettore. Il vuoto possiede ottime capacità di coibentazione eliminando

completamente le perdite di calore

per convezione. Nonostante la temperatura degli

assorbitori raggiunga e superi i

120°C il tubo di vetro rimane freddo

Collettori sottovuoto

Le superfici captanti sono molto piccole, cosicché anche le perdite per radiazione sono ridotte (la quantità di calore persa per radiazione dipende dall'area della superficie

disperdente).

Collettori sottovuoto: flusso diretto

Tubi coassiali

Tubi a “U”

Collettori sottovuoto: “heat pipe”

Il tubo è riempito con un alcool che evapora già a basse temperature. All’estremità superiore del tubo il calore liberato dal processo di condensazione viene ceduto al liquido termovettore che scorre nella parte superiore di raccolta. L’alcool, una volta raffreddato e condensato, ricade, per gravità, sul fondo del tubo heat-pipe, ed è pronto a ri-assorbire.

Fluidi termovettori

- fluidi a base d'acqua Miscele a base d’acqua con fluidi antigelo (glicole etilenico, propilenico ecc.) - fluidi diatermici Oli minerali proposti quali fluidi termovettori per risolvere i problemi di corrosione riscontrati in alcuni metalli delle piastre captanti, ad opera dei fluidi a base d'acqua. Offrono il vantaggio di operare in un arco di temperature molto ampio a pressione atmosferica, conservandosi allo stato liquido (da -20°C a 150° C oppure da -5° C a 3200°C circa secondo la gradazione di viscosità). L’inconveniente maggiore è costituito dalla viscosità elevata (pompe di circolazione di potenza maggiorata e portate di fluido più elevate).

Circolazione naturale

I sistemi a circolazione naturale sono molto semplici, richiedono scarsa manutenzione e possono essere realizzati impiegando dei pannelli solari con basse perdite di carico. Il trasferimento del calore dai pannelli all'accumulo è affidato ai naturali moti convettivi derivanti dal riscaldamento del fluido. Il serbatoio di accumulo dell’acqua deve essere sempre posizionato più in alto del pannello ed a breve distanza dallo stesso.

Schema :

1)Valvola

2)serbatoio d'accumulo

3)condotto acqua calda

4)pannello

5)condotto dell'acqua

fredda

Circolazione naturale

Circolazione naturale

Circolazione naturale

Vantaggi: - Velocità di scambio termico commisurata alla differenza di temperatura fra boiler di accumulo e pannelli. - Nessuna circolazione inversa durante la notte. - Autoregolazione della circolazione. - Assenza di pompe di circolazione, centraline e sonde. - Installazione rapida ed economica. - Manutenzione ridotta al minimo. L’applicazione tipica della circolazione naturale è la produzione di acqua calda per uso sanitario per privati per piccole utenze.

Circolazione forzata

Il fluido, contenuto nel collettore solare, scorre nel circuito chiuso per effetto di una pompa comandata da una centralina attivata, a sua volta, da sonde poste sul collettore e nel serbatoio. Quando la temperatura dei pannelli scende al di sotto di quella dell’acqua in serbatoio, la pompa si arresta. Inoltre, quando il riscaldamento indotto dai pannelli non soddisfa le condizioni impostate, ovvero, la temperatura dell’acqua nel serbatoio non raggiunge la temperatura desiderata in erogazione, la centralina integra quella parte di energia termica mancante mettendo in funzione il sistema tradizionale a combustibile.

Circolazione forzata

Gli elementi costitutivi di un impianto di questo tipo sono: -collettore/i solare/i -serbatoio di accumulo -scambiatori -centralina -sonde di temperatura -pompa di circolazione -vaso di espansione -scambiatore di calore -valvole

Circolazione forzata

Schemi d’impianto

Schemi d’impianto

Criteri di progetto

1) La superficie dei collettori solari può essere calcolata considerando circa 1 m² per persona avendo cura di formare una superficie di raccolta di almeno due collettori. 2) L’orientamento dei collettori è a SUD con piccole deviazioni tollerate verso SE o SO. 3) L’angolo di inclinazione dei collettori sull’orizzontale è pari alla latitudine L del luogo per un funzionamento continuo annuale mentre è consigliato L+15°per un funzionamento principalmente invernale ed L-10°per un funzionamento prevalentemente estivo.

Criteri di progetto

4) La scelta del tipo di collettore solare dipende anche dal valore di insolazione disponibile sul posto. In generale si può dire, per le nostre latitudini, che un collettore a piastra dipinta di nero e con una sola copertura di vetro semplice va bene per un funzionamento annuale. Qualora si desideri avere un miglior funzionamento prevalentemente invernale allora è consigliabile un collettore con vetro doppio. L’uso di piastre con vernice selettiva è necessario solo per applicazioni che richiedono elevate temperature (>50 °C).

Criteri di progetto

5) Il campo dei valori ottimali per le dimensioni del serbatoio di accumulo è generalmente compreso tra 50 e 100 litri per m² di area captante. 6) Per i sistemi di produzione di acqua calda localizzati è opportuno prevedere una resistenza elettrica ausiliaria di almeno 2 kW. 7) E’ necessario isolare il serbatoio di accumulo con almeno 10 cm di isolante termico (ad esempio lana di vetro) e il rivestimento esterno deve essere in alluminio o in lamiera di acciaio galvanizzato. Un serbatoio da 300 litri non ben isolato può perdere 1200 kWh/anno.

Criteri di progetto

8) Tutti i tubi di collegamento fra collettori e boiler debbono essere coibentati con isolante termico di spessore di almeno 5 cm. 9) Al fine di ridurre la potenza di circolazione è opportuno limitare al massimo sia la lunghezza dei tubi che le resistenze concentrate mediante raccordi curvi non angolati e valvole a minore resistenza. La pompa di circolazione ha di solito una prevalenza di 1000÷2000 Pa.

Criteri di progetto

10) Il vaso di espansione ha una capacità di 15÷20 litri. 11) E’ necessario prevedere, una centralina di regolazione e controllo collegata ai collettori e al boiler per impedire la circolazione inversa parassita. 12) Per evitare il pericolo del congelamento invernale si può svuotare l’impianto, se questo non è attivo, oppure aggiungere 10÷20% di glicole etilenico in modo da abbassare il punto di congelamento del fluido refrigerante.

Regole pratiche

Questa tabella vale per la produzione di acqua calda sanitaria, inclinazione del tetto da 30° a 50° ed orientamento Sud, Sud-Ovest, Sud-Est.

Persone Superficie captante

1-3 3 m²

2-4 5 m²

4-6 7,5 m²

6-8 10 m²

8-15 13 m²

15-20 16 m²

Regole pratiche

Per ogni persona si calcolano al giorno : Comfort basso 35 L/persona Comfort medio 50 L/persona Comfort alto 75 L/persona

Persone Accumulo (Serbatoio)

1-3 150 – 200 litri

2-4 300 – 400 litri

4-6 400 – 500 litri

6-8 500 – 600 litri

8-15 700 – 800 litri

15-20 800 – 1000 litri

Disposizione collettori

La disposizione in parallelo è da adottare ogniqualvolta si vogliano ottenere identiche caratteristiche di funzionamento termico da ciascuno dei collettori posti in schiera; infatti, se rispettata l'uniformità del flusso, ogni collettore della batteria fornisce un uguale salto di temperatura fra ingresso ed uscita.

Disposizione collettori

Disposizione in parallelo su più schiere di collettori:

Disposizione collettori

Disposizione in serie - parallelo su più schiere di collettori:

Disposizione collettori

La disposizione dei collettori a sola serie è scarsamente utilizzata a causa della penalizzazione di efficienza provocata sui collettori finali della schiera e dall'eccessivo aumento delle perdite di carico.