Pannello Solare Termico L'ideazione di pannelli solari termici può risalire all Impero Romano che già conosceva un metodo per sfruttare l'irraggiamento solare per mezzo dell effetto serra creato dai vetri con cui venivano chiuse le finestre delle case. Nel Cinquecento però Leonardo Da Vinci aveva ampliato lo studio di parabole per concentrare l energia solare per applicarlo all industria dell epoca; nel Settecento, Lavoisier riuscì a fondere il platino, il cui punto di fusione è di 1780 C, riscaldandolo tramite la concentrazione di raggi solari.
Pannello Solare Termico Nel 1767 fu inventato un primo tipo di pannello solare da Horace-Bénédict de Saussure: una pentola di legno foderata di sughero nero, utilizzata dagli americani per cucinare. Essa raggiungeva i 109 C per mezzo di un sistema di tre strati nella parte alta della pentola. Nel 1830 in Inghilterra John Herschel perfezionò il sistema ideato da Horace-Bénédict de Saussure da cui nacque una tecnica di cottura chiamata oggi solar cooking.
Pannello Solare Termico L americano Clarence Kemp brevettò nel 1891 il primo pannello solare termico per la produzione di acqua calda sanitaria; questo sistema ebbe un grande successo e si diffuse facilmente a seguito della crisi energetica del 1973. Dopo la 1 guerra mondiale, a partire dal 1920 negli USA si diffuse un sistema a circolazione naturale che forniva acqua calda durante il giorno. Nel 1935, sempre in America, fu costruito il primo edificio riscaldato tramite un impianto di pannelli solari termici.
Pannello Solare Termico Il pannello solare termico (detto anche collettore solare) è un dispositivo atto alla conversione della radiazione solare in energia termica e al suo trasferimento, per esempio, verso un accumulatore termico per un uso successivo, tipicamente sotto forma di acqua calda, riscaldamento e in alcuni casi energia elettrica. Non va confuso con il pannello solare fotovoltaico che serve invece per la produzione di corrente elettrica.
Schema di un pannello solare 1) Valvola; 2) Serbatoio di accumulo; 3) Condotto di inserimento; 4) Pannello di assorbimento; 5) Condotto di inserimento dell'acqua fredda.
Tecnologia Un sistema solare termico normalmente è composto da un pannello che riceve l'energia solare, da uno scambiatore dove circola il fluido utilizzato per trasferirla al serbatoio utilizzato per immagazzinare l'energia accumulata. Il sistema può avere due tipi di circolazione, naturale o forzata.
Circolazione naturale Nel caso della circolazione naturale a termosifone, per far circolare il fluido vettore nel sistema solare, si sfrutta la convezione. Il liquido vettore riscaldandosi nel pannello solare si dilata e galleggia rispetto a quello più freddo presente nello scambiatore del serbatoio di accumulo spostandosi, quindi, nello scambiatore posto più alto rispetto al pannello solare cedendo il suo calore all'acqua sanitaria del secondario. Questa tipologia è più semplice di quella a circolazione forzata.
Circolazione naturale Non esiste consumo elettrico dovuto alla pompa di circolazione e alla centralina solare differenziale presente nel sistema a circolazione forzata. Il fluido vettore usato nel circuito primario è glicole propilenico atossico (comunemente conosciuto come antigelo) miscelato con acqua in una percentuale tale da garantire un'adeguata resistenza al gelo. Il serbatoio viene disposto ad un'altezza maggiore di quella dei pannelli solari a cui è collegato e per ragioni estetiche è del tipo orizzontale ad intercapedine.
Circolazione naturale La circolazione naturale, rispetto a quella forzata, risulta essere più sensibile alle perdite di carico del circuito primario e vengono, quindi, realizzati sistemi kit compatti ove il serbatoio di accumulo è situato molto vicino al pannello solare. Le serpentine possono anche essere due, nel caso si voglia anche preriscaldare l'acqua del serbatoio con integrazione ad un termocamino o caldaia. Si può anche integrare una resistenza elettrica per riscaldare l'acqua in caso di insufficiente o assente (nelle ore notturne) irradiazione solare.
Circolazione naturale Un impianto a circolazione naturale con serbatoio esterno è adatto in regioni con temperature notturne non rigide. Attualmente viene fatta molta attenzione all'impatto visivo di tali sistemi colorando i serbatoi di color tegola oppure disponendoli direttamente a terra. Questo tipo di impianto è adatto a famiglie che hanno un risparmio esiguo, in quanto, non avendo bisogno di energia elettrica o costi gestione impianto il risparmio è al netto da spese aggiuntive.
Schema di un impianto a circolazione naturale (A) Entrata dell'acqua fredda; (B) Serbatoio coibentato; (C) Pannello solare termico; (D) Radiazione solare; (E) Uscita dell'acqua calda.
Circolazione forzata La circolazione del liquido avviene con l'aiuto di pompe solo quando nei pannelli il fluido vettore si trova ad una temperatura più elevata rispetto a quella dell'acqua contenuta nei serbatoi di accumulo. Per regolare la circolazione ci si avvale di sensori elettrici che confrontano la temperatura del fluido vettore nel collettore con quella nel serbatoio di accumulo (termocoppia). In tali impianti ci sono meno vincoli per l'ubicazione dei serbatoi di accumulo.
Circolazione forzata Normalmente, il circuito idraulico collegato al pannello è chiuso e separato da quello dell'acqua che riscalda, posizionando una serpentina nel serbatoio come scambiatore di calore. Le serpentine possono anche essere due tre o quattro nel caso si voglia anche preriscaldare il fluido dell'impianto di riscaldamento tramite l'acqua del serbatoio o integrazione ad un termocamino o caldaia.
Circolazione forzata Si può anche integrare una resistenza elettrica per riscaldare l'acqua in caso di insufficiente o assente (nelle ore notturne) irradiazione solare. quest'impianto è consigliato per le zone rigide di montagna e nel caso la famiglia abbia un notevole risparmio, in quanto, consumi di energia e costi gestione impianto incidono sul risparmio dato.
Schema di un impianto a circolazione forzata 1) Pannello solare; 2) regolatore; 3) Pompa ; 4) Pressostato; 5) Serbatoio d'acqua; 6) Altra fonte di calore (caldaia, pompa di calore ecc.).
Tipologie costruttive dei pannelli solari pannelli solari termici piani non vetrati o scoperti vetrati non selettivi selettivi ad aria pannelli solari termici sottovuoto tubo a U heat pipe pannelli solari termici con serbatoio integrato pannelli solari termici a concentrazione
Pannelli solare termici piani Il collettore piano è il sistema più utilizzato per ottenere le basse temperature, cioè comprese fra i 50 C e i 90 C, che si ottengono facilmente facendo riscaldare al Sole superfici piane. Un collettore piano è costituito da: Una lastra trasparente di vetro (se si tratta di pannelli vetrati), che fa passare le radiazioni in arrivo e blocca quelle in uscita Un assorbitore di rame, che è un buon conduttore di calore, in esso sono ricavati molti canali dove circola acqua o aria (nel caso del pannello piano vetrato ad aria). Il Sole scalda la piastra, che a sua volta scalda l'acqua o l'aria. Isolante termico, che impedisce la dispersione di calore.
Pannelli solare termici piani I pannelli solari termici piani non vetrati o scoperti sono privi di vetro; hanno il vantaggio di essere poco costosi e di avere un ottimo rendimento in condizioni ottimali di irraggiamento quando la temperatura esterna è alta. A causa della mancanza dell'isolamento il loro rendimento diminuisce rapidamente all'allontanarsi dalle condizioni ottimali. L acqua passa direttamente all interno dei tubi del pannello dove viene riscaldata dai raggi solari ed è pronta per essere usata.
Pannelli solare termici piani Il limite di questi pannelli è che, non essendo coibentati, funzionano con una temperatura ambiente di almeno 20 C (al di sotto il bilancio tra energia accumulata ed energia dispersa è sfavorevole), e la temperatura massima dell acqua non supera i 40 C. Sono adatti perciò al solo uso stagionale ed esclusivamente per la produzione di acqua calda sanitaria, sono spesso impiegati nel riscaldamento delle piscine.
Pannelli solare termici piani I pannelli solari termici piani vetrati ad acqua hanno una struttura attorno all'assorbitore che ne limita le dispersioni sia per convezione con l'aria che per irraggiamento dato che il vetro che ricopre la parte superiore dell'assorbitore è progettato per questa funzione. I pannelli solari termici vetrati selettivi consistono in un particolare trattamento dell'assorbitore che lo rende più ricettivo al calore, per questo sono più efficienti nei periodi meno favorevoli, mentre quelli non selettivi hanno semplicemente l'assorbitore colorato di nero in modo da attirare maggiormente la radiazione solare.
Pannelli solare termici piani I pannelli solari termici piani ad aria fanno circolare al loro interno aria anziché acqua. L aria viene fatta circolare tra vetro e assorbitore o, in alcuni casi, in una intercapedine ricavata tra l assorbitore ed il fondo di poliuretano isolante. Questi ultimi sono studiati in modo tale che l'aria permanga più tempo possibile nel pannello solare poiché scambia più difficilmente il calore rispetto all'acqua.
Pannelli solare termici piani I pannelli solari termici sottovuoto sono in grado di garantire un maggiore apporto energetico anche in condizioni di basso irraggiamento o basse temperature esterne, esistono principalmente due tipi di collettori sottovuoto, detti anche collettori a tubi sottovuoto, quelli che contengono un tubo a U in cui circola direttamente il liquido che assorbe il calore e quelli Heat pipe che contengono un tubo in rame chiuso alle estremità contenente un liquido in bassa pressione che evapora riscaldandosi e si condensa nella parte alta del tubo cedendo il calore all'acqua sovrastante.
Utilizzi Fornire acqua calda e riscaldamento In questo caso il serbatoio provvede a immagazzinare l'acqua domestica che viene messa a contatto con il fluido tramite una serpentina. La serpentina consente al fluido di trasferire all'acqua l'energia immagazzinata senza contaminare l'acqua. Questa acqua può essere utilizzata come acqua calda nelle abitazioni (80%integrazione) o può essere utilizzata per integrare il riscaldamento a pavimento degli ambienti (10% integrazione). I pannelli solari termici sono in grado di fornire acqua calda in buone quantità ma non possono sostituire completamente gli usuali metodi di riscaldamento per via dell'incostanza dell'energia solare.
Utilizzi Generare energia elettrica In questo caso prevede che lo scambiatore di calore sia riscaldato fino ad essere portato in ebollizione. Una volta che il liquido sia passato in fase gassosa lo si invia in una turbina termoelettrica che convertirà il movimento del gas in energia elettrica. Questo tipo di impianto è detto solare termodinamico e richiede ampi spazi per l'installazione dei pannelli solari e una presenza di sole costante. Esempi di queste centrali sono state installate nei deserti e una centrale di questo tipo è stata progettata ed è in attesa di avvio della realizzazione in Sicilia (vedi progetto Archimede). Questi esperimenti non hanno avuto molto successo per via degli alti costi di realizzazione e di mantenimento rapportati alla bassa potenza elettrica generata.
Costo In Italia un impianto in base all'ubicazione e all'utilizzo, si ammortizza nel giro di 5-10 anni e poiché la durata media di questi impianti è di 15-20 anni ne consegue che è un buon investimento a medio termine, escludendo eventuali sgravi fiscali o altre forme di agevolazione che rendano l'ammortamento più rapido.
Benefici L'utilizzo dei pannelli solari per il riscaldamento dell'acqua, andando a sostituire una caldaia o uno scaldabagno elettrico ha come diretta conseguenza il risparmio di idrocarburi e di energia elettrica. Inoltre: mancata emissione di CO2; produzione di calore da fonte rinnovabile eco-compatibile (il sole); minore necessità di infrastrutture per il trasporto dell'energia da grandi distanze;
Benefici indipendenza energetica (non dipendono dalla fornitura di carburante); mancata emissione di ossidi di zolfo, di azoto, e di pm10; indirettamente la diminuzione dei disastri ambientali; mancata immissione nell'ambiente di calore; tecnologia accessibile (la forma più semplice consiste in un tubo metallico colorato di nero); bassi oneri di realizzazione e smaltimento; alto rendimento termico.
Impianto Idraulico L'integrazione di un pannello solare in un impianto idraulico per la produzione di acqua calda sanitaria avviene solitamente secondo il seguente schema. Il tubo di uscita del serbatoio è collegato a poca distanza ad una valvola termostatica che si occupa di miscelare l'acqua calda dell'accumulo con l'acqua fredda dell'impianto mantenendo in uscita acqua a temperatura costante (40-50 C).
Impianto Idraulico Tale valvola è necessaria per tre motivi: pericolo di ustioni; dispersione di calore nelle tubature data l'elevata temperatura (per questo motivo la valvola non dovrebbe essere posta troppo distante dall'accumulo); danneggiamento di una eventuale caldaia posta in serie al pannello solare.
Impianto Idraulico L'uscita della valvola termostatica è poi collegata ad una valvola deviatrice detta anche valvola a tre vie. Questa valvola ha un ingresso e due possibili uscite. A seconda della temperatura di ingresso si attiva l'una o l'altra uscita, ma mai contemporaneamente. Si adotta questa soluzione per far in modo che quando la temperatura è di circa 40 C o superiore l'acqua venga direttamente immessa nel circuito dell'acqua calda sanitaria; in caso contrario viene inviata all'ingresso di una caldaia istantanea o ad accumulo, che la scalda fino alla temperatura desiderata prima di essere immessa nel circuito.
Impianto Idraulico La suddetta valvola deviatrice può essere azionata manualmente (valvola manuale), ad esempio nel periodo invernale o in lunghi periodi di scarso irraggiamento, oppure può essere controllata meccanicamente da un piccolo motore azionato da un sensore di temperatura, solitamente una termocoppia, posto all'interno dell'accumulo (valvola elettronica).
Impianto Idraulico Da notare che la caldaia per la produzione di acqua calda, da mettere in serie al pannello, deve essere in grado "modulare" riducendo molto la fiamma se di tipo istantaneo, (cioè senza accumulo). Nel caso di caldaia ad accumulo la regolazione della fiamma e la sua accensione sono pilotate da un sensore di temperatura presente nell'accumulo, per cui non si richiede nessuna particolare predisposizione
Pannello Solare Ibrido Un pannello solare ibrido (più correttamente definito come collettore PVT, acronimo dell'inglese PhotoVoltaic and Thermal) è un'apparecchiatura che permette la conversione dell'energia irradiata dal sole in parte in energia elettrica e in parte in energia termica coniugando l'effetto di un modulo fotovoltaico e di un pannello solare termico (cogenerazione fotovoltaica). Un pannello solare ibrido è dunque costituito da un collettore fotovoltaico al quale è associato uno scambiatore di calore in grado di riscaldare un fluido grazie alla parte di radiazione solare non convertita in energia elettrica.
Origini Sin dall'origine della conversione fotovoltaica, si è notato che il tasso di conversione della radiazione solare in energia elettrica dipende dalla temperatura della cella solare che effettua la conversione, diminuendo all'aumento della temperatura stessa. Siccome questo tasso di conversione è nell'ordine del 10-15% (per le comuni celle al Si cristallino), ne risulta che l'85-90% residuo si converte in calore sensibile - in pratica si scalda la cella e quel tasso di conversione può scendere ben al di sotto del 10%. Ad esempio, per celle policristalline, un tasso tipico è di 0,47%/ C; in altri termini, un rendimento del 14% a 25 C cade all'11% circa a 70 C.
Origini Si è quindi pensato di raffreddare le celle, facendo circolare un fluido freddo che scambi calore con la cella. Effetto collaterale, e importante, di questa tecnologia è il calore ceduto dalle celle al fluido che, nel caso di un liquido, può essere usato in modo analogo a quello che circola in un pannello solare termico. Il rendimento energetico totale (ossia sommando il calore scambiato con il fluido alla conversione fotovoltaica) supera normalmente il 40%, potendo toccare in condizioni favorevoli il 50-60%.
Struttura Come accennato, un collettore PVT è un'associazione di un collettore fotovoltaico e di uno scambiatore di calore. Il collettore fotovoltaico è quasi sempre del tipo vetrato, per riduzione della dispersione termica. Collettori a camera d'aria frontale Sfruttano l'effetto serra. Sono usati quasi esclusivamente per scambio termico con aria.
Struttura Collettori senza camera d'aria Il tipo più diffuso. Qui lo scambio termico è effettuato sul retro del collettore fotovoltaico; è una struttura obbligata nel caso del raffreddamento a liquido, in quanto lo scambiatore maschererebbe le celle fotovoltaiche, ed ha comunque il vantaggio di una collocazione posteriore delle tubazioni di adduzione ed estrazione del fluido, che altrimenti porrebbero problemi di ombreggiature.
Struttura Collettori a liquido Rispetto ad un normale collettore PV, in un collettore a liquido vi è l'aggiunta di uno scambiatore di calore e della relativa coibentazione. Questo scambiatore può essere di varie fogge; nei casi più frequenti è costituito da tubi di rame aderenti, con varie tecnologie, al backsheet o, in modo più efficace, è costituito da uno scambiatore di tipo roll-bond in alluminio, che consente una migliore trasmissione del calore.
Struttura collettore a liquido 1 - vetro antiriflesso 2 - pellicola in EVA 3 - piano celle fotovoltaiche 4 - pellicola in EVA 5 - backsheet TPT 6 - scambiatore di calore 7 - coibentazione.