B.3 Sistemi Solari Termici

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1 Sono sistemi in grado di convertire l energia solare in energia termica, tale conversione è ottenibile in due modi: 1. Senza concentrazione (collettori piani), si utilizzano superfici che sfruttano sia la componente diretta e quella diffusa,possono essere anche non orientabili. 2. Con concentrazione, ottenuta mediante specchi orientabili in grado di sfruttare la sola componente diretta della radiazione. 1

2 Collettori Piani Copertura trasparente Piastra captante Isolante Termico Tubazioni per il fluido Cassone di Contenimento 2

3 Collettori Piani Osserviamo cosa accade dal punto di vista fisico, ipotizziamo di osservare un generico oggetto posto al all aperto ed esposto al sole, al quale venga sottratta una quantità di calore costante q u attraverso un fluido refrigerante. ( 1) i s u tot e ( Tc Ta ) qu W a A = A K + Calore sottratto Radiazione incidente In cui: W i è la densità superficiale della potenza incidente A u è la proiezione della superficie del corpo nella direzione dei raggi solari A tot è l area totale del corpo T c è la temperatura del corpo T a è la temperatura dell ambiente a s è il coefficiente di assorbimento del corpo K e è il coefficiente di scambio termico dell aria esterna Calore scambiato con l esterno 3

4 Questo oggetto può essere definito collettore piano, per esso possiamo definire efficienza istantanea come rapporto tra la potenza utile Q u e la potenza raggiante incidente W i e A u cioè: Qu η = W A i u Tenendo conto del bilancio termico (1) si ha: ( 2) η = a s A tot K A u e Tc T W i a a s si ha se W = 8 o se T c =T a migliorando a s migliora il rendimento 4

5 Supponendo che: Sia trascurabile la resistenza termica per conduzione nel vetro Siano trascurabili i rinvii multipli fra superficie nera e vetro La superficie del vetro e della piastra nera siano isotermiche ed il calore q u sia disponibile alla temperatura T w Siano trascurabili le perdite di calore attraverso l isolamento termico Il bilancio termico in regime stazionario: ( 3) τ v a W = q + w i u q perd 5

6 6 Il calore non utilizzato q perd può essere calcolato considerando che, per quanto riguarda sia la convezione sia l irraggiamento, relativamente alla energia emessa dalla parete nera, la struttura composta dalla parete e dal vetro si comporta come una normale intercapedine dotata di resistenza termica R i, posta in serie con la resistenza di adduzione vetro-ambiente 1/K e e i o w u i w v K R T T q W a = τ Da cui, si deduce l efficienza istantanea: i a w e i v w W T T K R a + = 1 1 τ η ( ) 4 ( ) 5

7 Confrontando i due casi si ha: Parte perduta a s ta s Parte recuperata 7

8 Lastra trasparente La superficie che ricopre un collettore può essere una lastra di vetro o di materiale plastico trasparente. Serve a creare una trappola per il calore, infatti lascia passare la radiazione solare nel visibile e sono opache nell infrarosso, la lunghezza d onda a cui riemette il corpo captante 8

9 I materiali plastici, sono più leggeri del vetro ma degenerano con l esposizione alla luce solare, ingiallendo e riducendo così la trasparenza, alle alte temperature diventano molli, alla diminuzione della temperatura però non tutti ritornano alla loro forma originale. Materiale Trasparenza Caratteristiche Teflon Tedlar Mylar Sun-lite 90% 95% 87% 90% Bassa resistenza agli agenti atmosferici, poco robusto, basso costo Resistente alle alte temperature, ingiallisce Degenera rapidamente con l esposizione ai raggi UV Basso costo, buona durata, elevata leggerezza 9

10 Il vetro utilizzato in queste applicazioni ha caratteristiche simili a quello del fotovoltaico, elevata trasparenza, rivestimento antiriflesso e resistenza agli agenti atmosferici. Per un collettore stabilire il numero di lastre di vetro da utilizzare è un parametro di progetto fondamentale. Maggiore è il numero di lastre, maggiore è la radiazione che le lastre assorbono e riflettono, minore è quindi la quantità di radiazione solare che raggiunge la superficie captante. Più è bassa la temperatura esterna, maggiore deve essere il numero di lastre per ottenere le temperature necessarie Dal grafico si vede come all aumentare del numero dei vetri c è una riduzione del rendimento del collettore, da studi fatti il massimo di numero di superfici vetrate è 3. Rendimento di un collettore sottoposto ad irraggiamento do 1000W/m 2 ( fonte ) 10

11 Piastra captante Costruita in rame o acciaio, il suo compito principale è quello di captare la massima parte di energia incidente, perdendone il meno possibile, per trasferirla al fluido. La superficie captante deve avere un coefficiente di assorbimento elevato (prossimo all unità), per aumentarne la capacità di solito vengono verniciati di nero o trattati con opportune sostanze chimiche o lavorazioni. Basso coefficiente di emissione Elevata conducibilità termica, in modo poter cedere la maggiore quantità di calore al fluido Buona resistenza alle sollecitazioni, ad esempio dilatazioni termiche Piastre assorbenti 11

12 I pannelli a piastra possono essere di due tipi: 1. superficie non selettiva: cioè l'assorbitore di calore è semplicemente verniciato in nero, un colore che contribuisce a captare e trattenere meglio e più a lungo i raggi solari; 2. superficie selettiva: cioè l'assorbitore di calore è potenziato da un trattamento effettuato con un prodotto che consente al pannello di trattenere maggiormente il calore del sole, riducendo al tempo stesso la riflessione; Varie tipologie di superfici selettive 12

13 Il rendimento, come si può vedere, aumenta all aumentare della radiazione incidente (G R ), diminuisce se aumenta (T f T a ). Come si può vedere la piastra selettiva funzione meglio, per la scelta del vetro doppio o singolo invece è possibile fare una valutazione di convenienza a seconda del valore (T f T a )/G R 13

14 Per ridurre le perdite dovute sia all irraggiamento che alla convezione, si è sviluppata una tecnologia detta Heat pipe (tubi di calore). Tubi di vetro sottovuoto ricoperti da uno strato altamente selettivo. In questo caso l'assorbitore di calore è di forma circolare ed è alloggiato all'interno della cavità sottovuoto dei tubi stessi; in questo modo il fluido termoconvettore evapora, cedendo calore all'estremità superiore del tubo, condensa e ritorna in basso. Generalmente sono forniti con concentratori a specchio retrostanti i tubi sottovuoto, in modo da sfruttare al massimo la radiazione solare. 14

15 In ogni tubo (A) è integrato un assorbitore una piastra captante selettiva che non disperde calore essendo il sistema sottovuoto. (C). Le radiazioni solari che assorbite le trasmette al tubo termovettore (B). La trasmissione del calore al tubo termovettore causa l'evaporazione del liquido (non acqua) all'interno del tubo termovettore, che sale sino a raggiungere la parte alta del tubo. Il vapore perviene all'interno del condensatore (D) che si trova nello scambiatore a doppio tubo (E). Tramite lo scambiatore di calore a tubo doppio in cui si trova il condensatore, il calore viene ceduto dal fluido termovettore, all acqua che scorre all'esterno del condensatore e và in un serbatoio d accumulo. In questo modo il vapore si condensa e il fluido scorre nuovamente nel tubo termovettore e il processo si ripete. 15

16 Collettori a concentrazione Permettono di raggiungere temperature più elevate rispetto ai collettori piani, utilizzando specchi e lenti per far convergere i raggi solari su piccole superfici, riducendo cosi le dispersioni termiche Sfrutta il principi dell ottica concentrando il fascio incidente parallelamente all asse del paraboloide in un suo fuoco. Facendo così si ottiene un rapporto tra A tot /A u <<1 ( 2) η = a s A tot K A u e Tc T W Aumentando così l efficienza del pannello, e la temperatura del fluido, si riesce ad arrivare a C. i a 16

17 L ENEA e ENEL hanno sviluppato un progetto (Archimede) che utilizzerà la tecnologia dei collettori parabolici lineari ed un ciclo combinato gas-vapore. Prima applicazione a livello mondiale di integrazione di queste due tecnologie. Il grande impianto solare incrementerà la potenza della centrale di circa 20 MW e consentirà di produrre: energia elettrica aggiuntiva di fonte solare capace di soddisfare il fabbisogno di una città di abitanti un risparmio di tonnellate equivalenti di petrolio all anno minori emissioni di CO2 per 40 mila tonnellate all anno. Ricostruzione fotografica impianto (Fonte ENEA) 17

18 Caratteristica principale dell impianto solare è quella di avere la possibilità di un accumulo che garantisce la possibilità di produrre energia sia di notte che di giorno. Il fluido termovettore è costituito da una miscela di sali (di solito si usavano oli minerali), nitrati di sodio e potassio (utilizzati nei normali), fertilizzanti stabili fino alla temperatura di 600 C senza grossi problemi di corrosione Schema impianto solare (Fonte ENEA) Come si vede dallo schema impiantistico il fluido proveniente dal serbatoio freddo a 290 C (238 C temperatura di solidificazione dei sali) entra nei collettori il fluido caldo uscente viene accumulato nel serbatoi caldo a 550 C. I Sali passano poi in uno scambiatore di calore in cui cedono il calore all acqua proveniente dal condensatore dell impianto fi no alla temperatura di 530 C I collettori utilizzati (LS-3) hanno uno specchio curvo, di forma parabolica caratterizzata da un fuoco a 166 cm e un ampiezza della parabola di 576 cm. Collettori LS-3 (Fonte ENEA) 18

19 Come si sede l impianto solare funziona da caldaia, fornisce l energia necessaria a far vaporizzare l acqua del condensatore per poi riimmettere il vapore ottenuto nella turbina e produrre energia elettrica aggiuntiva 19

20 Negli Stati Uniti sono stati sviluppati progetti che sfruttano le tecnologie solar dish e solar tower Inoltre sono attualmente in esercizio 9 grandi impianti di tipo a collettore paraboico lineare nel deserto di Mojave nel sud della California, con potenze installate tra 14 e 80 MW per un totale di 354 MW installati, realizzati tra il 1984 ed il 1991 hanno immesso in rete più di 9TWh Area 113 m 2 T lavoro =720 C P= 22KW e con insolazione di 1000 W/m 2 Solar Tower (Fonte U.S. department of energy) Solar disk (Fonte U.S. department of energy) 20

21 Dimensionamento Impianto con collettori piani Mediamente un collettore solare riesce a scaldare giornalmente dai 40 agli 80 litri d acqua per metro quadrato. La temperatura dell acqua da riscaldare varia nell arco della giornata e dell anno. Bisogna calcolare la quantità di calore necessario per riscaldare un certo volume d acqua dalla temperatura T 1 a temperatura T 2 : Q = Ca V T T ) g ( 2 1 kcal mese V: consumo giornaliero d acqua espresso in litri ( in media 200 litri/giorno) C a : calore specifico dell acqua 1 kcal/ C litro g: numero di giorni del mese (30 o 31) A questa quantità và aggiunta quella necessaria per riscaldare l impianto (tubi, collettori, accumulo) e la quantità di calore dispersa dall impianto attraverso le coibentazioni del serbatoio e delle tubazioni: mediamente si incrementa Q del 15% 21

22 Per il dimensionamento di massima di un impianto solare si deve disporre dei seguenti dati: Mesi dell anno Numero di giorni del mese Irraggiamento medio giornaliero all inclinazione ottimale Ore giornaliere di sole Irraggiamento orario sul collettore Temperatura media mensile Differenza di temperatura tra collettore e ambiente Rendimento del collettore Energia giornaliera e mensile disponibile per unità di superficie Fabbisogno termico mensile Superficie dei collettori da installare Energia giornaliera e mensile captata Percentuale mensile del fabbisogno coperto 22

23 Ricordiamo che: La temperatura del collettore è pari a: T 1 + T C Dove: T 1 rappresenta la temperatura dell acqua di rete T 2 rappresenta la temperatura dell acqua di utilizzo + 5 C perché si assume che la temperatura del fluido termovettore per far avvenire lo scambio del calore captato dal pannello deve essere superiore almeno di 5 C Il rendimento del collettore dipende dalla differenza di temperatura tra la temperatura del collettore T p e la temperatura esterna T e, per vari valori dell irraggiamento solare. 23

24 Ad esempio, per l utilizzazione annuale di un impianto solare a Brindisi con l orientamento a Sud con inclinazione dei pannelli di 45 si procede per i vari mesi dell anno nel seguente modo: 1. Calcolo irraggiamento medio giornaliero: (gennaio) W=1858 kcal/m 2 giorno 2. Ore giornaliere di soleggiamento: (gennaio) n = 4,2 3. Irraggiamento orario sul collettore:w/n = 1858/4,2 = 442 kcal/ h 4. Temperatura media mensile: (gennaio) 8 C 5. Differenza di temperatura collettore ambiente:?t= T p -T a = 37,5-8 = 29,5 C 24

25 6.Rendimento medio del collettore: (dal grafico dato dal produttore si entra con? T/ W)? = 43% 7.Calore utile captato giornalmente: Q g =?. W = 0, = 800 kcal/m 2 giorno 8.Calore utile captato mensilmente: Q m = Qg. g = = kcal/m 2 mese 9.Fabbisogno termico mensile: Q = Ca. V. (T 1 -T 2 ). g = 200. (50-15). 31 = kcal 10.Superficie da installare: / = 8,75 m 2 La scelta dei m 2 viene fatta sul mese di solito più sfavorito dal punto di vista dell irraggiamento (gennaio o dicembre), per questo si è scelto di fare i calcoli solo per questo mese, in realtà è obbligo farli per tutti i mesi. 25

26 IMPIANTI Il sistema più semplice è costituito da un collettore orientato a sud posto al disotto del serbatoio al quale è collegato, l acqua fredda entra nel collettore ed arriva nel serbatoio per circolazione naturale Nella maggior parte delle realizzazioni si tende a separare il circuito dei collettori da quello di utilizzazione, come nella figura. Separando i due circuiti è possibile inserire miscele anticongelanti e acqua demineralizzata (per evitare formazione di incrostazioni) nel circuito del collettore. 1. Acqua fredda 2. Acqua calda per la utenze A. Accumulatore C. Caldaia S. Scambiatore U. Utenze 26

27 Nello schema in figura oltre al collettore è presente una resistenza elettrica per garantire maggiore continuità. Il fluido viene fatto circolare dalla pompa (8). Il calore solare viene scambiato attraverso la serpentino di scambio termico (14) con l acqua contenuta nel bollitore (17). La temperatura del fluido termovettore e dell acqua nella parte bassa del bollitore sono rilevate dalle sonde (10 e 15) e elaborate dalla centralina (9), che comanda la pompa.se la differenza tra le due temperature scende al disotto un un valore che non permette più lo scambio termico si stacca la pompa. La valvola di ritegno (7) impedisce la circolazione naturale del fluido termovettore e quindi la dissipazione del calore accumulato nel bollitore quando la pompa è ferma. Quando il calore non è sufficiente si accende la resistenza elettrica (13) comandata da un apposito termostato incorporato. 27

28 Nel caso sia previsto l uso di acqua calda per usi domestici (il collettore) e per il riscaldamento dell ambiente si adotta un bollitore con doppio serpentino di scambio termico. Se la radiazione solare è insufficiente a portare l acqua nel bollitore alla temperatura di utilizzo interviene il termostato (18) che agisce sulla valvola di intercettazione (19) posta sulla tubazione di mandata dell acqua della caldaia in modo da far circolare l acqua calda della caldaia nel serpentino (12) ed aumentare la temperatura dell acqua nel bollitore. 28

29 Il bollitore solare (16) può fungere anche da preriscaldo, infatti la valvola (3) in condizioni invernali convoglia l acqua proveniente dal bollitore in quello incorporato nelle caldaia (18) e l eventuale apporto termico è fornito dalla caldaia (17). D estate la valvola (3) deviatrice esclude la caldaia. 29

30 Impianto con ventilconvettori. Il calore del collettore viene ceduto all accumulatore (14) e al bollitore solare (20) per la produzione di acqua calda per usi domestici. L acqua calda in 14 viene messa in circolazione dalla pompa (22) e avviata alle batterie di riscaldamento (24). La regolazione della temperatura ambiente avviene tramite la sonde esterna (26) e da condotta (27), rilevate dalla centralina (9) che comanda la valvola deviatrice (3). Quando il calore solare ceduto dal serpentino (13) non è sufficiente a mantenere la temperatura dell acqua di mandata alle batterie di riscaldamento al valore desiderato la centralina comanda la valvola (3) in modo da inviare acqua di caldaia nella parte superiore dell accumulatore termico per aumentare la tempera dell acqua di mandata. Per l acqua di mandata per usi domestici vi è un apposito bollitore (20) riscaldato nella parte inferiore dal serpentino solare e in quella superiore dal serpentino di integrazione (28) alimentato dalla caldaia. Nella stagione estiva il calore solare è accumulato in (14) da cui mediante la pompa (23), comandata da un termostato (25) è possibile riscaldare la parte alta del bollitore utilizzando, nelle giornate non soleggiate, il calore dell accumulo (14).Nella stagione invernale la pompa (23) non sarà utilizzata, la relative valvole saranno chiuse ed il termostato (25) comanderà la valvola motorizzata (19) 30

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32 L utilizzo dell energia solare per il raffrescamento è un campo di applicazione in via di sviluppo, vista la contemporaneità degli eventi la richiesta di freddo coincide con il massimo dell energia captata dall impianto. Le macchine frigorifere utilizzabili con gli impianti solari sono di tipo ad assorbimento. Una macchina ad assorbimento necessita temperature di lavoro tra i C nel generatore, affinché l ammoniaca evapori sotto forma di gas caldo ad elevate pressione, queste temperature sono ottenibili con un collettore piano. Il Ciclo: G: generatore C: condensatore E: evaporatore A: assorbitore R: recuperatore 32

33 Valutazioni sui costi Verrà fatto un confronto fra un impianto tradizionale ed uno a collettori piani: Collettore piano: Costo del collettore e area del collettore su essi incidono il tasso di interesse i e la durata dell impianto n C = c A + c + c tot solare c c acc altro Costo della rete idraulica e del sistema elettrico di regolazione Costo dell accumulo, non è proporzionale alla superficie del collettore 33

34 Sistema tradizionale: C tot trad = c F + c m h Costo fisso della potenza, incidono il tasso di interesse i e la durata dell impianto n Costo marginale (funzione di un parametro riconducibile al costo del petrolio) per il numero di ore di funzionamento dell impianto 34

35 La convenienza economica si ha dal confronto dei costi delle due tecnologie, graficando il risparmio r = C tot/solare - C tot/trad e A la superficie captante si ottiene: Come si vede al crescere della superficie captante il beneficio è positivo e aumenta con il crescere del costo del KWh cioè all aumentare del costo dell energia tradizionale. Quindi stabilita la superficie captante all aumentare del costo dell energia tradizionale, aumenta il risparmio. Ed è massimo per una superficie di media grandezza, cioè incrementare nultriormente la superficie non comporta benefici. 35

36 Supponiamo di dover realizzare un impianto per il riscaldamento dell acqua sanitaria, conosciamo A la superficie captante, indichiamo con f la percentuale di fabbisogno di acqua calda coperta con l impianto a collettore piano. Graficando questi parametri è possibile vedere non si riesce a coprire l intero fabbisogno dell edificio, infatti dopo un certo valore della superficie installata A la curva và in saturazione. In laboratorio è stato stimato che è possibile coprire al massimo i 2/3 del fabbisogno 36

37 Studio di Sensitività Ci permette di valutare come varia il risparmio al variare del tasso di interesse. Se il tasso di interesse è piccolo il risparmio cresce Tasso elevato, maggiore inflazione minore risparmio 37

38 Per la valutazione della convenienza economica dell impianto: C tot/solare : costo dell impianto in n: numero di anni C tot solare n ( 1+ i) p Q p p: prezzo medio del kwh termico da fonte tradizionale Q: quantità di energia che può essere prodotta in un anno ( W η d ) W: radiazione incidente annua al m 2 d: numero di giorni p: prezzo del kwh termico da fonte tradizionale?: rendimento medio 38