pannelli solari termici

SOLARE TERMICO
Sole
Sole
Il valore di insolazione in Italia è compreso tra 1200 e
1750 kWh/m2 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/m2 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/m2 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
fattore di
assorbimen
to a
fattore di
emissione
e
procedimento
superifici
e
vernice
opaca
0,95
0,88
a pennello o a
spruzzo
non
selettiva
vernice
solare
0,95
0,86
a pennello o a
spruzzo
non
selettiva
Al2O3
pigmentato
con Ni
0,90-0,92
0,10-0,18
galvanico
selettiva
acciaio inox
con strato
selettivo
0,80-0,90
0,12-0,17
galvanico
selettiva
Tinox,
sunselect,
black cristal
ecc.
> 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 (400600°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
Superficie captante
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
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
Accumulo (Serbatoio)
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
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.