ENERGIA SOLARE TECNOLOGIE PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA TERMICA

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1 ENERGIA SOLARE TECNOLOGIE PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA TERMICA L. Murgia - Dip.to Ingegneria del Territorio - Università degli Studi di Sassari Caratteristiche dell energia energia solare Radiazione solare fuori dell atmosfera terrestre Radiazione max al suolo su superficie orizzontale con sole allo zenith 1,35 kw/m 2 costante solare 1000 W/m 2 Conversione termica: tutto lo spettro Conv. foto-elettrica: fino a λ =1,2 Conv. fotobiologica: λ = 0,35 0,6 µm spettro visibile UV λ < 0,38 µm IR λ > 0,76 µm λ = 0,38 0,76 µm 1

2 L intensità (potenza) della radiazione globale viene misurata con uno strumento detto piranometro L unità di misura è W/m 2 o kw/m 2. RADIAZIONE GLOBALE diretta + diffusa In una giornata limpida radiazione globale W/m 2 radiazione diffusa W/m 2 giornate limpide rad.diffusa 20% giornate nuvolose rad.diffusa 100% Col termine radiazione solare si indica anche l energia fornita (MJ/m 2 giorno, MJ/m 2 anno) Il termine insolazione o eliofania indica invece il n di ore giornaliere o mensili o annue in cui è presente radiazione diretta. 2

3 Caratteristiche dell energia energia solare l intensità dell energia energia solare dipende dalla latitudine alle nostre latitudini sono disponibili circa 1400 kwh/m 2 anno, pari a 5040 MJ/m 2 anno, ovvero a 13,8 MJ/m 2 giorno Disponibilità annuale energia solare kwh/m 2 anno 3

4 l intensità dell energia energia solare dipende dalla stagione, dall ora e dalle condizioni atmosferiche La valutazione della radiazione disponibile in un determinato sito richiede la serie dei valori medi giornalieri o mensili su una base di almeno o 10 anni 4

5 l intensità dell energia energia solare captabile dipende dall inclinazione e dall orientamento delle superfici il massimo apporto si ha quando i raggi solari sono perpendicolari alla superficie captante Incidenza della radiazione diretta sul piano orizzontale Incidenza della radiazione diretta sul piano verticale orientato verso sud 5

6 Orientamento e inclinazione della superficie captante Orientamento verso sud est/ovest riduce l irraggiamento del 15-20% Per un uso prevalentemente estivo si consigliano inclinazioni pari alla latitudine del luogo meno Per un uso prevalentemente invernale le inclinazioni devono essere pari alla latitudine più Nei periodi intermedi (aprile-settembre) si consigliano inclinazioni pari alla latitudine meno Per un uso annuale è consigliabile un inclinazione pari alla latitudine meno 10 6

7 COEFFICIENTI CORRETTIVI PER IL CALCOLO DELLA RADIAZIONE SOLARE CAPTABILE SOLUZIONI TECNICHE PER L INSTALLAZIONE DEI PANNELLI SOLARI 7

8 Caratteristiche dell energia energia solare bassa intensità energetica superfici captazione ampie Il potenziale annuo max alle nostre latitudini (Italia ) è MJ/m 2 anno pari a kg di gasolio variabilità condiziona la copertura dei fabbisogni Rispetto alla disponibilità della fonte, le utenze possono avere un andamento inverso (riscaldamento ambientale), costante (lavaggio impianti), stagionale (essiccazione prodotti). Energia solare come fonte integrativa Collettori solari termici Collettori piani bassa temperatura < 100 C utilizzano radiazione diretta+diffusa trasformano l energia solare nella sua intensità originaria Collettori sottovuoto temperatura C migliore resa 8

9 Collettori concentratori alta temperatura > 150 C ( C) utilizzano solo la radiazione diretta concentrano la radiazione su un area pari a 1/10-1/25 di quella del collettore posto nel fuoco del paraboloide dentro il ricevitore scorre un fluido termovettore (olio minerale, sali fusi, gas, ecc.) che a sua volta produce energia meccanica, solitamente tramite turbine, e quindi energia elettrica paraboloide cilindro-parabolico cucina solare Le applicazioni solari termiche più largamente diffuse sono quelle a bassa temperatura, basate sull impiego di collettori piani 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 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 9

10 Situazione italiana (Fonte: ESTIF 2008) Il solare termico a bassa temperatura ha avuto, negli ultimi anni, una crescita molto interessante, stimolata dall opportunità di detrarre dalla dichiarazione dei redditi il 55% delle spese sostenute per l installazione di un impianto, meccanismo legato all incentivazione alla riqualificazione energetica degli edifici. A fine 2008 risulta una potenza termica totale di 1040 MW th pari a circa 1,5 milioni m 2 di pannelli solari installati, corrispondenti a circa 17,8 kw th /1000 abitanti (Austria 244 kw th /1000 abitanti ) Tasso annuale installazione pannelli solari circa la metà di questi sono localizzati nelle province di Trento e di Bolzano Il 90% circa degli impianti installati in Italia sono di piccola taglia, inferiori ai 30 metri quadrati equivalenti a circa 25 kw th. Solo il rimanente 10% supera questa dimensione. Situazione europea (Fonte: ESTIF 2008) Potenza termica totale 18,7 GW th pari a circa 26 milioni m 2 di pannelli solari installati Nella suddivisione del mercato europeo è immediatamente visibile la netta prevalenza della Germania, che copre il 44% del mercato, seguita da Spagna e Italia, che si attestano solo al 9% 10

11 Collettori solari piani captano l energia solare e la trasferiscono sotto forma di calore ad un fluido termovettore liquido (acqua) o all aria Elementi di un collettore piano piastra assorbente copertura trasparente, circuito del fluido termovettore strato di isolante involucro esterno COPERTURA TRASPARENTE buona trasmittanza ( ) alla radiazione a corta lunghezza d onda opacità alla radiazione IR lungo (effetto serra) stabilità caratteristiche ottiche resistenza meccanica. materiali: vetro ( 90 96%) cristallo temperato materiali plastici (vetroresina, policarbonati alveolari, polietileni) 11

12 ASSORBITORE elevata assorbanza ( ) della radiazione incidente = radiazione captata/radiazione incidente bassa emittanza ) (radiazione IR perdite irraggiamento) adeguata configurazione geometrica della piastra buona conducibilità termica del materiale rame Materiali: metallici (alluminio, rame, acciaio) o plastici trattamento superficiale con vernici nere o vernici selettive ISOLAMENTO TERMICO bassa conducibilità termica materiale stabile alle alte temperature e poco igroscopico Materiali: poliuretano espanso, propilene (max 100 C) lana di roccia o di vetro (igroscopici) spessore di 4-5 cm collettori sottovuoto CONTENITORE scatola assemblabile di acciaio, alluminio, legno o materiale plastico nel caso di collettori integrati nella copertura del tetto il contenitore potrebbe essere costituito dalle stesse strutture del tetto. 12

13 Le perdite di energia termica dei collettori in commercio sono dell ordine P. superficie posteriore 5 12 % P. superficie perimetrale 2 5 % P. per irraggiamento 5 8 % P. per convezione % In termini pratici, per un collettore solare commerciale si aggira intorno al % l energia utile energia utile captata η c radiazione incidente Collettore piano vetrato con tubo a serpentino 13

14 Collettore piano vetrato con tubo a griglia Collettore a tubi evacuati minori perdite per convezione applicazioni a media temperatura C adatti per climi freddi 14

15 Collettori semplificati ad acqua Per applicazioni a bassa temperatura si impiegano anche materiali plastici (elastomeri, polipropilene), che pur avendo minor conducibilità di calore, sono economici ed adatti per collettori semplificati di grandi dimensioni Non hanno copertura trasparente né isolamento termico t t C = 0,45-0,60 0,60 Collettori semplificati ad aria soluzioni studiate in campo agricolo a servizio di esiccatoi aziendali tunnel-collettori, realizzati con film plastici trasparenti, in cui la funzione di assorbitore è svolta dal terreno o da un film plastico nero posto su di esso orient. Est-Ovest = 0,3-0,5 0,5 collettori tubolari, ottenuti con una guaina di plastica nera mantenuta in pressione da un ventilatore premente. t t c = 0,2-0,4 0,4 15

16 Collettori semplificati ad aria collettori integrati nei tetti (tetti solari), o nelle pareti ottenuti dall annerimento delle superfici e dalla posa di una copertura trasparente Essiccatori solari t t = C = 0,25-0,6 A parità di caratteristiche costruttive, il rendimento di un collettore solare ad aria è inferiore del % al rendimento di un collettore ad acqua L'acqua ha una maggiore densità e un più elevato calore specifico dell'aria. Per trasferire la stessa energia termica, il volume di aria che passa attraverso il collettore solare dovrebbe essere circa 3200 volte più elevato del volume di acqua. 16

17 (Fonte: Fiala M., Università Milano) (Fonte: Fiala M., Università Milano) ESSICCAZIONE IN DUE TEMPI 17

18 Caso aziendale: allevamento 300 vacche da latte in provincia di Mantova Pannelli solari termici ad acqua per: lavaggio impianto di mungitura + riscaldamento aria di essiccazione 2 gruppi da 8 pannelli ciascuno 20 m 2 + accumulo 300 litri a T = 60 C Funzionamento alternato dei 2 gruppi solari per massimizzare l accumulo di acqua calda Copertura del 70% del fabbisogno con fonte solare Integrazione caldaia a gas da novembre ad aprile In 2 anni di funzionamento: risparmio del 40%, pari a 5000 /anno Soluzioni tecnologiche innovative I moduli fotovoltaici convertono in elettricità solo una piccola porzione della radiazione solare (6-16%) I pannelli ibridi fotovoltaici-termici permettono la generazione contemporanea di energia elettrica e termica (cogenerazione solare) cioè riescono a recuperare l energia termica dispersa dai moduli FV migliorando contemporaneamente il rendimento della produzione elettrica 18

19 RENDIMENTO DEI COLLETTORI SOLARI η c energia utile captata radiazione incidente Qu/A I Qu = calore utile trasferito al fluido A = superficie captante I = energia solare incidente per unità di area Qu m c s (Tu -Ti) m = portata fluido (l/s) Tu = temperatura uscita fluido ( C) c s = calore specifico fluido (KJ/l C) Ti = temp. ingresso fluido ( C) RENDIMENTO DEI COLLETTORI SOLARI L energia utile guadagnata dipende dalle caratteristiche del collettore (, ),( dalle temperature d esercizio d (Tm( = Tfluido) ) e da fattori meteorologici (Tamb( Tamb,, I) Il rendimento istantaneo può essere descritto dalla relazione (legge di Bliss): C1 - C c 2 Tm - Ta I C 1 è funzione delle caratteristiche ottiche del collettore (τ,α) C 2 è funzione delle caratteristiche termiche del collettore c diminuisce all aumentare della differenza fra la temperatura media di lavoro del fluido (Tm) e la temperatura ambientale (Ta) aumenta all aumentare dell intensità della radiazione solare incidente (I, W/m 2 ). 19

20 RENDIMENTO DEI COLLETTORI SOLARI il collettore solare piano trasforma più efficientemente la radiazione se opera a bassa temperatura nei collettori ad aria senza ricircolo Tm=Ta ηc = C 1 Esempio per collettori che operano a bassa temperatura con ottime prestazioni, con valori delle costanti C 1 = 0,75 e C 2 = 4,5, dati I = 700 W/m 2 e Δt = 40 C, si ottiene c 0,75-4, ,5 con un Δt = 20 C, η c = 0,62 (Fonte Cocco D. et al., 2010) η c varia nel corso dell anno perché cambia sia la temperatura ambientale, che l intensità dell irraggiamento solare ηc dipende anche dalla temperatura interna del collettore che è influenzata sia dalla radiazione che dal ritmo di prelievo dell utenza 20

21 IMPIANTI SOLARI PRODUZIONE ACQUA CALDA Oltre ad un efficiente captazione dell energia radiante, un impianto solare dovrà permettere di superare lo sfasamento temporale fra disponibilità e fabbisogni ed essere integrato con tecnologie tradizionali per garantire una copertura adeguata dell utenza superficie captante (collettori) serbatoio di accumulo sistema di circolazione del fluido termovettore Impianti a circolazione naturale - diretti + indiretti scambiatore Impianti a circolazione forzata Pompa circolazione 21

22 Impianti a circolazione naturale l accumulo situato più in alto del collettore unità premontata o integrato nel tetto (possibili problemi per il peso) non ci sono pompe o sistemi di controllo riscaldamento ausiliario con resistenza elettrica o caldaia istantanea a valle del serbatoio adatto per piccole utenze Esempio Utenza abitativa 4 persone produzione acqua calda sanitaria superficie captante 2-5 m 2 serbatoio litri costo impianto circa 750 /m 2 22

23 Impianti a circolazione forzata il posizionamento dell dell accumulo è svincolato da quello dei collettori la pompa di circolazione del circuito primario (collettore (collettore accumulo) è azionata da un termostato differenziale quando la Tcoll> Tcoll>Tacc (circa C) adatto per utenze medio grandi riscaldamento ausiliario integrato Esempio Azienda agrituristica 24 posti letto + ristoro superficie captante 24 m2 serbatoio 1500 litri costo impianto circa 500 /m2 23

24 Serbatoio di accumulo singolo serpentino doppio serpentino Superficie dei collettori Con orientamento ottimale (sud, inclinazione 30 ) si utilizzano i valori di riferimento Questi valori permettono di coprire completamente il fabbisogno durante i mesi estivi Calcolato su tutto l anno, il risparmio energetico è circa del 50-80% I valori in tabella si riducono del 30 % nel caso si usino collettori a tubi sottovuoto. Volume serbatoio di accumulo l/m 2 dipende dagli usi (uno o due serbatoi) 24

25 INTEGRAZIONE SOLARE DI SISTEMI PER LA PRODUZIONE DI ACQUA CALDA SANITARIA Famiglia 4 persone: 200 litri/giorno a 45 C t acqua di rete 15 C litri/anno Richiesta Energetica giornaliera RE t = , = 25 MJ/g 3,6 MJ = 1 kwh = 25/3,6 = 7 kwh termici/giorno 25

26 RE t = 7 kwh termici/giorno 1)Scaldabagno elettrico sa = Q et / Q el = 0,9 E el = 7/0,9 = 7,7 kwh elettrici Conversione termoelettrica el = 0,37 1 kwh = 2,7 kwh Fabbisogno Energia Primaria Ep = 7,7/0,37 = 20,8 kwh/giorno = 5,2 kwh/giorno pro capite con integrazione solare per il 65% dei fabbisogni termici Ep = 5,2*0,35 = 1,8 kwh/giorno pro capite 2) Caldaia a gas metano cm = 0,8 Consumo Energia Primaria Ep = 7 kwh/0,8 = 8,75 kwh/giorno = 2,18 kwh/giorno pro capite con integrazione solare per il 65% dei fabbisogni termici Ep = 2,18*0,35 = 0,8 kwh/giorno pro capite 26

27 nel passaggio da scaldabagno elettrico a caldaia a gas integrata da collettori solari il consumo energetico procapite in EP si riduce dell'84% nel passaggio dal solo scaldabagno elettrico ad uno scaldabagno integrato da collettori solari il consumo energetico scende del 65% Vantaggi ambientali centrali termoelettriche emettono in media 0,58 kg CO ² / kwh elettrico caldaia a metano nella combustione si formano 0,25 kg CO ² per ogni kwh termico 27

28 Esempio: utenza 150 l/giorno di acqua a 50 C (ΔT=45 C) Risparmio energetico scaldacqua elettrico 8,72 kwh elettrici 23,56 kwh EP-energia primaria caldaia a metano 9,81 kwh EP collettori solari + caldaia a gas (copertura solare 65%) 3,43 kwh EP Aspetti economici scaldacqua elettrico 400 /anno caldaia a metano 300 /anno collettori+caldaia 195 /anno Benefici ambientali elettricità 0,58 kg CO 2 /kwh metano 0,25 CO 2 /kwh ibrido c+c 0,09 CO 2 /kwh DIMENSIONAMENTO COLLETTORI Determinare la superficie captante di un impianto solare destinato to alla produzione d acqua d calda per usi sanitari e zootecnici. Ipotizzare un impianto solare autonomo,, con copertura al 100% della richiesta energetica (RE), ed un impianto integrato, con caldaia a gas, con copertura del 65% della RE con i collettori solari. I dati di progetto sono i seguenti: -Località: Alghero -Periodo d utilizzo: d maggio-settembre -Radiazione media del periodo: Imed = 21,08 MJ/m 2. giorno -Utenza: 400 l/giorno di acqua calda Collettore: -Orientamento: sud-ovest -Inclinazione: 25 -Temperatura acqua all utenza Tu= 45 C -Temperatura acqua in ingresso Ti = 15 C -Temperatura media fluido termovettore Tm = 38,5 C -Temperatura media ambientale Ta = 22,0 C. 28

29 Rmed mag-sett = (21,4+22,6+24,4+20,8+16,2)/5 = 21,08 MJ/m 2. giorno Rendimento collettore c Supponendo di utilizzare un buon collettore il valore del rendimento ento ( ( c ) si ricava dalla relazione: c 4,5 (Tm Ta) = 0,75 - I Dove I = W/m 2 ; considerando che 0,0036 MJ = 1 Wh 21,08 MJ/m 2 giorno /0,0036 MJ/Wh = Wh/ / m 2 giorno considerando 9 h/giorno d insolazione d I = 5.855/9 = 650 W/ m 2 ) 4,5 (38,5 22) = 0,75-0,64 c 650 Richiesta energetica RE (MJ/giorno) RE = G. (Tu-Ti) Ti). cs = kj RE = 400. (45-15). 4,186 = kj/giorno 29

30 Copertura RE al 100% con fonte solare La superficie captante dell impianto solare si ricava dalla relazione: RE S = m Imin c 2 dove RE è in MJ/giorno e Imin è la radiazione minima in MJ/m 2 giorno 50,232 S = 4,9 m 16,2 0,64 2 Per tener conto delle perdite del sistema è necessario applicare un coefficiente di maggiorazione di 1,15 alla superficie dei collettori. S = 4,9 m 2. 1,15 = 5,6 m 2 + accumulo Il volume del serbatoio di accumulo va da 45 a 80 litri/m 2 di superficie captante Copertura della RE al 65% con fonte solare La copertura del 65% della RE con i pannelli solari deve intendersi come valore medio nel corso dell anno RE = 50,232. 0,65 = 32,651 MJ /giorno RE S = Imed c m 2 dove Imed è la radiazione media in MJ/m 2 giorno S = 32,651 21,08 0,64 2,4 m 2. 1,15 = 2,8 m 2 30

31 Copertura 100% fabbisogni termici (Ir min = 16,2 MJ/m 2 *g; S=4,9 m 2 ) MJ/m2*g mag giu lug ago set Copertura 65% fabbisogni termici (Ir med = 21,8 MJ/m 2 *g; S=2,4 m 2 ) MJ/m2*g , mag giu lug ago set 31