Ing. FLAVIO CONTI LUVINATE (Varese) http//:

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1 Le tecnologie applicative dell energia solare Ing. FLAVIO CONTI LUVINATE (Varese) http//:

2 L energia del sole Il sole è costituito da un enorme palla Il sole è costituito da un enorme palla infuocata di gas incandescenti. Il processo di fusione trasforma l idrogeno in elio e contemporaneamente sprigiona una potenza di 36 x Watt. La parte che incide sulla superficie terrestre sarebbe sufficiente a coprire volte il fabbisogno di energia primaria di tutto il mondo.

3 Definizioni Energia solare è ENERGIA RAGGIANTE prodotta nel SOLE per effetto di reazioni nucleari e trasmessa alla TERRA sotto forma di RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA.

4 La Radiazione Extraterrestre La radiazione solare incidente fuori dell atmosfera terrestre è chiamata RADIAZIONE EXTRATERRESTRE In media la radiazione extraterrestre vale 1367 Watt/metro 2 (W/m 2 ). Questo valore varia di ±3% con l orbita del sole Il punto più vicino della terra al sole si ha intorno al 4 gennaio mentre il punto più lontano si verifica il 5 di luglio.

5 Quanta energia ci arriva L intensità della radiazione solare, cioè la QUANTITÀ DI ENERGIA che il Sole irraggia ogni secondo su 1 cm 2 di superficie prima di entrare nell atmosfera terrestre, è detta COSTANTE SOLARE; il suo attuale valore, calcolato quando la Terra si trova a una distanza media dall astro, è 1367 Watt /m 2 (1,97 cal/cm 2 al minuto) Quando il cielo è sereno ne arrivano circa 1000 W/m2 sulla superficie terrestre, mentre quando il cielo è completamente coperto l irradiazione diminuisce fino a circa 100 W/m2.

6 Lo spettro della radiazione La radiazione solare è composta da una determinata combinazione di raggi elettromagnetici di diversa lunghezza d onda (spettro). I raggi ultravioletti, più corti, o quelli infrarossi, più lunghi, vengono riflessi, assorbiti o diffusi nell atmosfera esterna. La somma della radiazione incidente su una superficie orizzontale viene definita RADIAZIONE GLOBALE.

7 La radiazione extraterrestre

8 Tipi di radiazione

9 La radiazione al suolo

10 26% 4% W Il flusso d energia sulla Terra 19% 51%

11 Le grandezze di misura L intensità della radiazione Solare viene misurata tramite due grandezze fisiche: L INSOLAZIONE: Energia media giornaliera (kwh/ m 2 giorno o kwh/m 2 a ) L IRRAGGIAMENTO: Potenza istantanea su una superficie orizzontale (kw/m 2 o W/cm 2 )

12 Quanta energia è disponibile Per l utilizzo solare a scopo termico è interessante la somma della radiazione disponibile su tutto l anno. Il valore di INSOLAZIONE compreso tra 1200 e 1750 kwh/m 2 all anno presenta una differenza tra nord e sud d Italia intorno al 40%. Circa il 75% della quantità di energia irradiata è da ascrivere ai mesi estivi, da aprile a settembre.

13 IL SOLE Il Sole emette radiazione elettromagnetica e in questo modo fornisce ENERGIA, direttamente o indirettamente, a ogni forma di vita sulla Terra: tutto il cibo e i combustibili derivano, in ultima analisi, dalle piante che sfruttano la sua luce.

14 Il Sole fonte della vita sul Pianeta Terra L energia raggiante che ci perviene dal Sole è la fonte che ha permesso e permette la sopravvivenza e la crescita degli esseri viventi sul Pianeta. Questa energia si articola in due forme ben distinte: Energia diretta che utilizziamo giornalmente Energia immagazzinata (biomasse, serbatoi, combustibili fossili).

15 Il Sole e Le Fonti Rinnovabili Il Sole è anche la fonte primaria delle cosiddette FONTI RINNOVABILI: - L Energia Solare diretta - L Energia Eolica - L Energia cinetica delle acque: - Energia idraulica - Energia delle maree e delle onde - L Energia delle biomasse - Prodotti agricoli e forestali - Biogas da rifiuti organici

16 Tipo di applicazioni Impianti solari per usi termici Impianti solari attivi Impianti domestici Impianti Industriali Impianti per usi Agricoli Soluzioni solari passive Impianti per produzione di elettricità per via termodinamica Impianti Solari per conversione diretta in elettricità (Fotovoltaico)

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19 Conversione dell Energia Solare in Energia Termica Gli impianti termici convertono la radiazione solare in energia termica che viene asportata da un fluido termovettore che può essere acqua, aria o glicole. Le applicazioni si distinguono a seconda della temperatura di lavoro del fluido termovettore.

20 Collettore solare piano L energia solare per usi termici trova la più semplice delle applicazioni per la produzione di Acqua Calda Sanitaria. Il cuore dell impianto è costituito dal COLLETTORE SOLARE PIANO.

21 Struttura standard di un collettore solare Il collettore solare è formato da: - una superficie nera o piastra captante (assorbitore) - Circuito con il fluido termovettore in contatto termico con la piastra captante - L isolamento dell assorbitore - La copertura trasparente dell assorbitore che genera l effetto serra - Il contenitore

22 Collettori solari termici per usi domestici Con serbatoio integrato Collettori Piani semplici Collettori Sottovuoto

23 Collettori solari a BASSA TEMPERATURA I collettori solari a bassa temperatura sono di tre tipologie: collettori piani plastici non vetrati; collettori piani vetrati; collettori sottovuoto, i più efficienti e costosi e adatti soprattutto all integrazione del riscaldamento degli edifici grazie all effetto diodo di calore che il sottovuoto garantisce e alla loro maggiore efficienza soprattutto in giornate invernali.

24 COLLETTORI PIANI PLASTICI NON VETRATI Sono normalmente in materiale plastico o di gomma esposti direttamente alla radiazione solare. Sono i collettori meno costosi e sono adatti all uso prevalentemente estivo vista la mancanza del vetro di copertura e della coibentazione che ne comporta perdite elevate con temperature esterne basse. L acqua da riscaldare passa direttamente nel modulo termico evitando così i costi dello scambiatore termico. Questa soluzione è quindi ideale per impianti per riscaldare acqua su: - piscine scoperte; - docce su camping e stabilimenti balneari; - residenze estive.

25 Collettori Piani non vetrati

26 Dettaglio

27 Tipi di collettori piani

28 COLLETTORI PIANI VETRATI La maggiore diffusione dei collettori piani vetrati è data dalla loro grande versatilità d uso, unita ad altre caratteristiche non meno importanti come: buon funzionamento anche in giornate scarse di sole; limitato scambio termico con l esterno (specialmente nei collettori ad alta coibentazione); costo contenuto; lavoro a pressione di acquedotto; semplicità di installazione (ancor più per i sistemi a circolazione naturale); ottima conoscenza della tecnologia (la più diffusa da anni).

29 COLLETTORI VETRATI PIANI Si dividono in: sistemi piani a circolazione naturale e sistemi piani a circolazione forzata (con pompa comandata da sensore di temperatura che fa muovere il liquido di scambio quando serve)

30 Collettori Piani Vetrati a Circolazione Naturale

31 Collettori Piani Vetrati a Circolazione Forzata

32 COLLETTORI SOTTOVUOTO

33 COLLETTORI SOTTOVUOTO Sono i collettori termici dell ultima generazione, i più efficienti e costosi e adatti soprattutto all integrazione del riscaldamento degli edifici grazie all effetto diodo di calore che il sottovuoto garantisce e alla loro maggiore efficienza soprattutto in giornate invernali.

34 Dettaglio

35 Tipo sottovuoto

36 Collettori Sottovuoto Grazie alle loro caratteristiche innovative presentano un rendimento maggiore del 15-20% rispetto ai collettori piani vetrati, ma il loro costo maggiore ne suggerisce l uso solo in zone montane con clima rigido o in sistemi con richiesta di temperature dell acqua più elevata (climatizzazione passiva, riscaldamento edifici, etc.).

37 Caratteristiche Le principali caratteristiche dei collettori sottovuoto sono: - funzionamento buono anche in giornate scarse di sole e con temperature ambiente al di sotto dello zero; - assenza di scambio termico con l esterno; - costo più alto dei collettori piani vetrati; - semplicità di installazione (ancor più per i sistemi a circolazione naturale); - migliore integrazione architettonica (superfici minori a parità prestazioni di impianto);

38 Collettori sottovuoto Nella maggioranza dei casi il sistema viene costruito a circolazione forzata quindi il sistema è equiparabile come complessità ai collettori piani vetrati installati con la stessa filosofia di impianto. La tecnologia dei collettori sottovuoto è ormai assodata e l impianto non presenta criticità particolari se mantenuto come da specifiche del costruttore.

39 Impianto solare termici con circolazione forzata

40 La Circolazione Naturale Negli impianti a un solo circuito l acqua sanitaria viene fatta circolare direttamente all interno del collettore.negli impianti a doppio circuito il fluido termovettore nel circuito del collettore e l acqua sanitaria sono divisi da uno scambiatore di calore.

41 COLLETTORI SOLARI PER ARIA CALDA

42 Recupero e Riciclaggio dei Vecchi Collettori I vecchi collettori ad acqua non sono stati gettati via, ma lasciati su un altra falda del tetto. Sono stati trasformati in collettori di aria calda, che viene immessa nei locali mansardati mediante ventolina azionata da un pannellino fotovoltaico.

43 Vecchi Collettori ad aria

44 L uso dell energia solare termica in abitazioni private Energia termica necessaria per persona circa 1000 kwh/a l area di collettore necessaria varia tra 0,5 m2 a persona per i climi caldi meridionali e 1 m² a persona per l Italia settentrionale. Nelle località ove non si ha gelo: si possono utilizzare impianti compatti ad accumulo integrato e impianti a circolazione naturale. Nelle altre zone, e per grandi impianti, è meglio avere impianti a circolazione forzata.

45 Produzione combinata di di ACS e Riscaldamento L uso di impianti combinati è raccomandato nei casi in cui sono già stati realizzate altre misure per il risparmio energetico (per esempio adeguata coibentazione termica) e si prevede un sistema di riscaldamento a bassa temperatura. L area di collettore necessaria varia da 1,5 a 3 m²/kw di potenza nominale per il riscaldamento dell'edificio.

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47 Dimensionamento

48 L energia solare nei Condomini

49 Parametri dimensionali per grandi impianti Impianti solari a grande scala con superficie di collettore dai 100 m² ai 1000 m² possono essere impiegati in grandi edifici multi-familiari, in reti di teleriscaldamento, ospedali, residenze per anziani o per studenti e nel settore turistico.

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51 Utilizzo di grandi superfici con sistemi a basso costo

52 ACS e Riscaldamento I più moderni impianti solari termici consentono oggi di ridurre drasticamente (>50%) le vostre spese annue di combustibile e di poter sfruttare completamente ogni apporto di calore da fonti rinnovabili tradizionali, come ad es. caminetti.

53 Il Riscaldamento Solare Il Riscaldamento degli ambienti con l energia solare termica richiede una distribuzione del calore a bassa temperatura (30-40 C). Tale distribuzione è anche richiesta dalla tecnologia delle caldaie a condensazione.

54 Distribuzione a Bassa T a pavimento

55 Impianti solari termici per usi industriali. Le applicazioni industriali si distinguono a seconda del tipo e della temperatura del fluido termovettore. Ad esempio, negli usi agricoli lo scopo principale è l essicazione, per cui il fluido più usato è l aria calda a temperatura tra C. Per tali scopi i normali collettori piani sono i più adatti ed i meno costosi.

56 Collettori solari ad ALTA TEMPERATURA I collettori solari ad alta temperatura vengono utilizzati di solito su grossi impianti che usano l energia termica per la produzione di vapore. Per la produzione di energia elettrica il vapore poi viene convogliato su turbine collegate a generatori. I sistemi per la produzione di alta temperatura si dividono in: - sistemi a collettori parabolici lineari - sistemi ad eliostati con ricevitore centrale

57 Impianti solari termici per usi industriali. Quando v è necessità di fluido a più alta temperatura (>100 C) allora si può ricorrere a collettori parabolici a banco con concentrazione.

58 SISTEMI A COLLETTORI PARABOLICI LINEARI I sistemi a collettori parabolici lineari sono sicuramente i più conosciuti per la produzione di energia elettrica dall energia termica prodotta dal sole. In America nel deserto del Mojave da 20 anni stanno funzionando 9 sistemi termoelettrici solari di questo tipo per una potenza complessiva di 350MW elettrici.

59 Impianti Solari Industriali Tra gli impianti solari industriali rientrano anche quelli per la produzione di ENERGIA ELETTRICA per via termodinamica, ossia con produzione di vapore oltre i 300 C ed invio del fluido nelle turbine. Nel caso il sole non sia sufficiente a riscaldare il fluido alla temperatura desiderata, interviene una normale caldaia che fornisce il calore addizionale mancante

60 Concentrating Solar Thermal Power, CSP The Technology The best solar power technology for providing secure capacity is solar thermal power plants (also called Concentrating Solar Thermal Power, CSP). They use mirrors to concentrate sunlight to raise steam and generate electricity. Excess heat from additional collectors can be stored in tanks of molten salt and then be used to power the steam turbines during the night, or when there is a peak in demand.

61 Come interessante sottoprodotto della generazione termoelettrica mediante CSP, di cui possono usufruire le popolazioni di paesi desertici, il calore a bassa temperatura di scarico del ciclo termodinamico può essere utilizzato per la dessalinizzazione dell acqua di mare.

62 Impianto di Kramer Juction - California

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64 Elettricità Solare Termodinamica

65 Elettricità Solare Termodinamica

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69 Le centrali solari di domani Questi impianti sono adatti per produzione di elettricità su larga scala, da 10 a 200 MW elettrici e possono sostituire le centrali termiche convenzionali senza cambiamenti della struttura della rete. Inoltre, grazie alla presenza dell accumulo termico, producono energia indipendentemente dalle fluttuazioni solari. Dice Carlo Rubbia, premio Nobel per la Fisica 1984: "Il calore prodotto da questi impianti viene accumulato in un liquido caldo, la temperatura nell'ordine di grandezza di 500 gradi, e può restare lì per parecchi giorni, a disposizione del momento in cui l'utilizzatore ha bisogno di avere energia..."

70 SISTEMI AD ELIOSTATI CON RICEVITORE CENTRALE

71 Elettricità Solare Termodinamica Un modo alternativo ai collettori a banco parabolici è quello di riscaldare il fluido mediante un grande disco di specchi che riflettono i raggi sul fuoco della parabola oppure

72 Centrale solare con più dischi e torri

73 Elettricità Solare Termodinamica oppure mediante un campo di specchi

74 Centrali Termiche Solari Le centrali elettriche solari, siano esse termodinamiche o fotovoltaiche, richiedono un uso abbastanza esteso di nuovo territorio. Esse risentono quindi di uno dei principali svantaggi dell energia solare, ossia della sua scarsa concentrazione spaziale. Esempi di centrali solari sono frequenti in quei paesi che hanno ampia disponibilità di territorio (es. USA, Spagna, etc.).

75 Impianto Solar Two da 10MW - California

76 Il progetto TREC (Trans-Mediterranea Renewable Energy Cooperation) Il progetto TREC ha valutato le potenzialità delle tecnologie che sfruttano le risorse rinnovabili nella regione europea e nel bacino mediterraneo. Da osservazioni satellitari, risulterebbe che usando meno dello 0,3% dell intera area desertica della regione mediorientale e nordafricana si potrebbe generare tanta energia elettrica da alimentare la regione stessa e tutti i paesi europei. Il TREC, nato nel 2003 dall intesa tra Club di Roma, Fondazione per la Protezione del Clima di Amburgo e Centro Nazionale di Ricerca energetica della Giordania, sta conducendo campagne di sensibilizzazione a favore del DESERTEC: l impiego su porzioni di aree desertiche di tecnologie in grado di fornire energia e acqua, di ridurre i rischi legati alla dipendenza dalle risorse esauribili, di contenere l impatto sull ambiente e di mitigare il cambiamento climatico.

77 La potenzialità dell Energia Solare

78 Il Trasporto in Europa Con la tecnologia del trasporto della Corrente Continua ad Alta tensione (HVDC), le perdite di trasmissione possono venir limitate a circa to 3% ogni 1000 km. La migliore radiazione solare nel Nord Africa compensa di molto le perdite di trasmissione attraverso il Mediterraneo valutabili intorno al 10-15% verso l Europa. Alternativamente, è stato proposto di produrre localmente idrogeno e poi trasportarlo, ma il trasporto di questo vettore è meno efficiente rispetto alle linee HVDC.

79 L Europa a Fonti Rinnovabili