SOLARE TERMICO Sole
Sole Il valore di insolazione in Italia è compreso tra 1200 e 1750 kwh/m 2 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. Collettore solare 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 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/m 2 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/m 2 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 reirradiazione al 10-15%. Materiale vernice opaca vernice solare Al 2 O 3 pigmentato con Ni acciaio inox con strato selettivo Tinox, sunselect, black cristal ecc. fattore di assorbimen to a fattore di emissione e 0,95 0,88 a pennello o a spruzzo 0,95 0,86 a pennello o a spruzzo procedimento superifici e non selettiva non selettiva 0,90-0,92 0,10-0,18 galvanico selettiva 0,80-0,90 0,12-0,17 galvanico selettiva > 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 elettrosolari. 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. Circolazione naturale Schema : 1)Valvola 2)serbatoio d'accumulo 3)condotto acqua calda 4)pannello 5)condotto dell'acqua fredda
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 Persone 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 Superficie captante Questa tabella vale per la produzione di acqua calda sanitaria, inclinazione del tetto da 30 a 50 ed orientamento Sud, Sud-Ovest, Sud-Est.
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 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 Accumulo (Serbatoio) 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.