TECNOLOGIE DELLE ENERGIE RINNOVABILI. Collettori solari

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1 TECNOLOGIE DELLE ENERGIE RINNOVABILI Collettori solari Giuseppe Franchini Dipartimento di Ingegneria e Scienze Applicate Università degli Studi di Bergamo Bibliografia: Cocco-Palomba-Puddu (cap 4) Tiwari 1

2 Tipologie di collettori solari Collettori piani ( FPC ) vetrati Collettori non ( unglazed ) vetrati Collettori ( ETC ) sottovuoto 2

3 Collettori Solari Piani (FPC) 3

4 Collettori Solari Piani (FPC) Copertura vetrata - lasciar passare la maggior quantità possibile di radiazione - minimizzare la perdita di calore verso l esterno Piastra captante - assorbire la radiazione solare incidente - minimizzare l emissione - trasferire il calore al fluido vettore 4

5 Collettori Solari Piani (FPC) 5

6 Collettori Solari Piani (FPC) 6 6

7 Collettori Solari Piani (FPC) 7 7

8 Modello dell analogia elettrica 8 8

9 Modello dell analogia elettrica 9 9

10 Prestazioni dei collettori solari Potenza assorbita Potenza persa Potenza utile Efficienza del collettore 10

11 Prestazioni dei collettori solari L energia che investe la superficie è, in Italia, variabile tra i 1100 e i 1800 kwh/m 2 anno e varia in maniera significativa in base a: - latitudine del luogo; - condizioni meteorologiche - posizionamento del collettore. 11

12 Prestazioni dei collettori solari Tilt = inclinazione rispetto al piano orizzontale Azimut = angolo di orientamento rispetto al Sud Per ogni località e ogni condizione esistono un inclinazione e un orientamento ottimali che danno la massima radiazione solare disponibile. 12

13 Prestazioni dei collettori solari Il prodotto trasmissione-assorbimento (τ α) di un collettore è indicatore di quanta radiazione solare incidente venga trasmessa dalla copertura trasparente all assorbitore sottostante e di quanta venga assorbita e trasferita al fluido. Tale prodotto esprime l efficienza ottica del collettore. Tale prodotto non è costante ma dipende dall angolo di incidenza θ con cui la radiazione solare incide sulla superficie del collettore. Il parametro che rappresenta l influenza dell angolo di incidenza è detto Incidence of Angle Modifier (I.A.M.) 13 13

14 Prestazioni dei collettori solari 14 14

15 Prestazioni dei collettori solari 15 15

16 rendimento Prestazioni dei collettori solari X X = T/G 0 : efficienza ottica del collettore (= ) a 1, a 2 : coefficienti di perdita globale del 1 o e 2 o ordine G: irraggiamento solare di riferimento (800 W/m 2 ) (= I) T: differenza tra temperatura dell acqua e dell aria ambiente 16

17 Collettori solari non vetrati Collettori solari realizzati in materiale plastico e privi di vetro (no pericolo corrosione). Impiegati quasi esclusivamente per il riscaldamento delle piscine esterne L acqua in circolo nei collettori è l acqua della piscina stessa, senza bisogno di scambiatori aggiuntivi. Lavorano a bassa temperatura e hanno un buon rendimento se il ΔT tra pannelli e ambiente esterno è basso (piscine scoperte). Arrotolabili, semplici, leggeri, bassa manutenzione e basso costo

18 Collettori solari sottovuoto (ETC) I collettori solari sottovuoto basano il loro principio di funzionamento sul fatto che la piastra captante, elemento all interno del quale scorre il fluido termovettore che viene riscaldato dal sole, si trova racchiusa in un cilindro in vetro nel quale è stato ricavato il vuoto. In tal modo si riducono sensibilmente le dispersioni termiche della piastra in quanto viene a mancare il mezzo di conduzione, vale a dire l aria

19 Collettori solari sottovuoto (ETC) Collettori sottovuoto a flusso diretto I collettori sottovuoto a flusso diretto sono sistemi molto semplici che operano come un collettore piano ma beneficando dell isolamento termico dato dal vuoto. La sostituzione di un tubo in caso di rottura del vetro è un intervento manutentivo di una certa complessità. I modelli più recenti hanno reso più agevole questa operazione. 19

20 Collettori solari sottovuoto (ETC) Collettori sottovuoto heat pipe I collettori sottovuoto heat pipe offrono il vantaggio di connessioni idrauliche più semplici, minori perdite di carico e più semplici interventi di manutenzione in caso di rottura del vetro. Non possono essere installati in orizzontale

21 Collettori solari sottovuoto (ETC) Uso di riflettori per incrementare l efficienza ottica 21 21

22 rendimento Collettori solari sottovuoto (ETC) FPC vs. ETC Area dell assorbitore Area superficiale lorda Area di apertura X Collettore piano vetrato Collettore sottovuoto 22

23 Collettori solari sottovuoto (ETC) FPC vs. ETC 23 23

24 Impianti solari termici impianti a circolazione naturale Per differenza di densità si innesca la circolazione naturale che porta il fluido caldo a salire verso il bollitore e quello freddo a riportarsi nella parte bassa del sistema. L impianto solare a circolazione naturale è semplice ed economico e necessita di poca manutenzione (no pompa, no centralina). Lo scambio termico pannello-bollitore non è controllato da un sistema pompacentralina. L unico modo di mantenere il controllo della temperatura massima del bollitore è quello di inserire una valvola di scarico termico che interviene tutte le volte che il bollitore supera il suo limite massimo di temperatura. La collocazione del bollitore al di sopra dei pannelli è una necessità tecnica che però ha un forte impatto estetico

25 Impianti solari termici impianti a circolazione naturale singolo circuito doppio circuito 25 25

26 Impianti solari termici impianti a circolazione forzata Il fluido termovettore viene fatto circolare attraverso l impianto, caricato in pressione, per mezzo di un circolatore governato da una centralina solare. Rispetto ai sistemi a circolazione naturale questo sistema offre una maggiore flessibilità, affidabilità ed efficienza. È necessario utilizzare acqua glicolata come fluido termovettore per evitare gelo nelle tubazioni esterne durante l inverno. Durante l estate, in caso di mancato prelievo di calore da parte dell utenza, il sistema può andare in stagnazione (evaporazione del fluido termovettore). Impianto complesso che necessita di una buona progettazione e combinazione dei componenti del sistema

27 Impianti solari termici impianti a svuotamento (drain-back) Sistema a circolazione forzata caratterizzato dallo svuotamento dei collettori quando l impianto non è in funzione. Non è necessario utilizzare miscele di acqua e glicole dal momento che, quando l impianto non è in funzione, le tubazioni sono vuote e non c è pericolo di gelo. Durante l estate, ad impianto fermo, i collettori si svuotano e non c è pericolo di stagnazione. 27

28 Impianti solari termici impianti a svuotamento (drain-back) Pendolazione della pompa: il passaggio dalla fase off alla on del sistema comporta un tempo di riempimento dei collettori e una riduzione di efficienza dovuta alla necessità di eliminare l aria nel circuito. Il ΔT di funzionamento deve essere ampio per evitare frequenti accensioni e spegnimenti della pompa (pendolazione frequente in caso di scarsa insolazione). Limite sull altezza dei collettori rispetto alla centrale termica e sulla taglia dell impianto. 28

29 Serbatoi di accumulo Bollitore solare (a doppio serpentino) Il fluido termovettore del circuito solare scorre all interno del serpentino inferiore del bollitore cedendo il calore all acqua sanitaria contenuta al suo interno. Si lavora col solare sul serpentino inferiore perché è la parte più fredda del bollitore e permette un miglior scambio termico. La caldaia integra il riscaldamento dell acqua sanitaria sul serpentino superiore. 29

30 Serbatoi di accumulo Accumulo inerziale (puffer) La sua funzione è quella di accumulare in modo pratico l energia proveniente dalle diverse fonti di calore. La disposizione su diverse altezze degli attacchi permette di impiegare generatori di calore di diverso tipo, senza influenzare la stratificazione. L acqua contenuta nell accumulo può essere poi mandata all impianto di riscaldamento, ad un preparatore di acqua calda sanitaria (bollitore o scambiatore rapido) oppure ad uno scambiatore per il riscaldamento di una piscina. L accumulo inerziale non contiene acqua sanitaria ma solo acqua impianto: non si devono eseguire disinfezioni anti-legionella. La caldaia scalda direttamente l acqua dell accumulo senza scambiatori/serpentini intermedi: scambio più efficiente. 30

31 Serbatoi di accumulo Accumulo combinato (tank in tank) Gli accumuli combinati sono costituiti da un bollitore immerso in un accumulo inerziale e sono impiegati per la produzione di a.c.s. e l integrazione riscaldamento negli impianti solari. L impianto solare riscalda l acqua per mezzo di un serpentino posizionato nella parte più fredda dell accumulo. La caldaia integra invece la parte superiore senza bisogno di scambiatori intermedi. Possibilità di contenere gli ingombri in centrale termica grazie all utilizzo di un unico accumulo per a.c.s. e riscaldamento. Solo impianti di piccole dimensioni. 31

32 Integrazione con sistema ausiliario Caldaia istantanea Fonte: Altener 32

33 Integrazione con sistema ausiliario Scambiatore integrato Fonte: Altener 33

34 Impianti combinati a.c.s./riscaldamento Accumulo inerziale 34

35 Impianti combinati a.c.s./riscaldamento Bollitore a doppio serpentino 35

36 Impianti combinati a.c.s./riscaldamento Tank in tank 36

37 Mercato del solare termico 37 37

38 Mercato del solare termico 38 38

39 Collettori ad aria 39

40 Accumulo stagionale 40 40

41 Dimensionamento Negli edifici residenziali il fabbisogno termico per la produzione di acqua calda rimane pressoché costante nel corso dell anno. Il consumo giornaliero pro capite di acqua calda a 45 C è fortemente variabile: comfort basso: comfort medio: comfort alto: 35 l/(persona*giorno) 50 l/(persona*giorno) 75 l/(persona*giorno) Nel caso in cui siano collegate all impianto solare anche la lavatrice e la lavastoviglie, il fabbisogno deve essere aumentato di: lavatrice: lavastoviglie: 20 l/giorno (1 lavaggio al giorno) 20 l/giorno (1 lavaggio al giorno) Negli edifici con funzione ricettiva il fabbisogno di acqua calda è strettamente dipendente dalla presenza di clienti. Possibili valori di riferimento per il fabbisogno giornaliero medio pro capite sono: standard semplice: standard alto: standard molto alto: 40 l/(persone*giorno) 50 l/(persone*giorno) 80 l/(persone*giorno) Se al circuito solare è collegato anche il servizio cucina (per scaldavivande, ecc ) il fabbisogno di acqua calda aumenta di circa: 10 l/(giorno*pasto) 41 41

42 Dimensionamento Per una situazione con orientamento ideale (angolo azimutale 0, inclinazione 30 ) si possono utilizzare i seguenti valori di riferimento per dimensionare la superficie dei collettori: Nord Italia Centro Italia Sud Italia 1,2 m 2 /(50 l/giorno) 1,0 m 2 /(50 l/giorno) 0,8 m 2 /(50 l/giorno) Per installazioni lontane dall orientamento ideale, la superficie richiesta può essere identificata dividendo il valore della superficie precedentemente trovato per un fattore di correzione F. Il serbatoio serve a equilibrare la differenza temporale tra la presenza dell irraggiamento e l utilizzo dell acqua calda. Serbatoi dall ampio volume permettono di superare periodi anche lunghi di brutto tempo, ma causano anche maggiori dispersioni di calore. Un indicazione che consente di ottenere un buon compromesso è di scegliere un volume del serbatoio di circa 60 l/m² di collettore. Negli impianti con riscaldamento ausiliare integrato nel serbatoio (secondo scambiatore di calore o resistenza elettrica) il volume in temperatura, cioè la parte di serbatoio che viene mantenuta sempre al di sopra della temperatura desiderata per l acqua calda, viene usualmente calcolato secondo il fabbisogno giornaliero di acqua calda e si aggira intorno a 20 l/persona