Come ottimizzare la raccolta dell`eneRgia SoLaRe

tis | www.rugiadapoint.it | www.infoimpianti.it
n. 300 gennaio 2014
18
Formazione Rinnovabili
Come ottimizzare la raccolta
dell’ENERGIA SOLARE
L’energia del sole è un “combustibile imprevedibile”,
ma conoscendone le caratteristiche e valutando
con attenzione il posizionamento e l’inclinazione dei
collettori è possibile massimizzare le prestazioni di un
impianto solare termico
di Riccardo Battisti
ca “democratica”, anche la radiazione solare presenta le sue
variazioni da sito a sito, influenzate non solo dalla latitudine in
cui ci si trova ma anche dalle
Un’installazione
“avveduta” prevede
l’integrazione totale del
pannello in copertura
in sostituzione ai coppi
tradizionali
L
a radiazione che
proviene dal sole è il
vero “combustibile”
che alimenta diverse
tecnologie di impianti energetici a fonti rinnovabili e, in
particolare, i sistemi solari termici e gli impianti fotovoltaici.
Per ottimizzare le prestazioni
di tali sistemi, quindi, il primo
passo fondamentale è quello di
conoscere le caratteristiche di
questo combustibile ed essere
in grado, di conseguenza, di
massimizzarne la raccolta e lo
sfruttamento. L’osservazione
di partenza non può che essere
una differenza cruciale rispetto ai combustibili tradizionali,
vale a dire il fatto che l’energia
solare non è disponibile a nostro piacimento né per quanto
riguarda la quantità né in merito
al tempo. Più semplicemente,
la radiazione solare è soggetta
a variazioni che noi ben tutti conosciamo, in parte legate al naturale trascorrere delle stagioni
(le potremmo definire variazioni regolari) e in parte dovute
alle più difficilmente prevedibili variazioni climatiche irregolari (il passaggio di una nuvola
o alcuni giorni consecutivi di
pioggia, ad esempio). Questa
forte variabilità dell’energia
solare implica che, ai fini del
dimensionamento, della progettazione e dell’installazione
degli impianti solari, non si
faccia mai riferimento a valori istantanei del tutto aleatori,
ma a valori medi in un certo
periodo di tempo. Di conseguenza, gli atlanti che riportano l’energia solare disponibile
in un certo sito indicano solitamente i valori medi mensili e
il valore medio annuale di tale
quantità di energia. Vediamo
utilizzasse un impianto solare
termico con una superficie di
2 m2, esso riuscirebbe a raccogliere in un anno 3.300 kWh e,
se il suo rendimento fosse del
45%, si potrebbero ottenere
1.485 kWh di energia pulita.
Tornando al caso della città di
Roma, sopra si è riportato un
valore relativo a un giorno medio tipico come media su un
intero anno. Se si guardasse il
giorno tipico di gennaio o di un
altro mese invernale, tale valore sarebbe molto più basso. La
Per ottimizzare le prestazioni
dei sistemi solari termici è
essenziale conoscerne le
caratteristiche ed essere
in grado di massimizzare
raccolta e sfruttamento
un esempio pratico, tratto dal
sito del Joint Research Centre
della Commissione Europea.
La città di Roma riceve ogni
giorno in media una quantità
di energia solare pari a 4,53
kWh per ogni m2 di superficie,
il che corrisponde a poco più di
1.650 kWh/m2 in un anno. Ciò
significa che, se ad esempio si
radiazione solare in un giorno
medio di febbraio, ad esempio,
sarebbe di 2,82 kWh. In estate,
invece, si raggiungono valori
anche notevolmente più elevati
come i 7,73 kWh a luglio.
Il posizionamento
dell’impianto...
Pur essendo una fonte energeti-
Fig. 1 - Energia solare disponibile in alcune località italiane ed estere
2000
kWh/m2 anno
1800
1600
1653
1424
1723
1467
1223
1200
1102
1000
1033
800
600
400
200
0
Bologna
Roma
Brindisi
con quelle straniere, otteniamo
differenze anche dell’80%. È
davvero sorprendente come,
nonostante valori piuttosto
contenuti di radiazione solare
disponibile, Paesi come Austria, Germania e, soprattutto,
Svezia e Danimarca presentino
una diffusione così massiccia di
impianti solari sul loro territo-
... e del pannello
È necessario allora chiedersi: come devo disporre il mio
pannello per massimizzare la
raccolta dell’energia solare?
Dal punto di vista dell’orientamento, la risposta è semplice e intuitiva. È conoscenza
comune, infatti, che il sole nel
suo percorso giornaliero sorge
a est e tramonta a ovest passando per sud. Per assicurarsi
che la nostra superficie captante sia il più possibile rivolta
verso il sole, quindi, dovremo
orientarla verso il sud. Anche
se può sembrare banale, è meglio precisare che la situazione è completamente invertita
nell’emisfero sud del pianeta,
dove gli impianti solari sono
orientati verso il nord. Per
quanto riguarda l’inclinazione,
invece, il discorso è leggermente più complesso. Iniziamo con
il dire che più il pannello sola-
re è disposto “piatto”, più sarà
favorito il suo rendimento nelle stagioni calde, dove
l’altezza media del
sole sull’orizzonte è più elevata.
Il contrario avverrà nel caso
di pannello
molto inclinato. Questo
è il motivo
per cui, se
si incontra
un impianto
solare termico
con una inclinazione notevole (ad
esempio 60° rispetto
all’orizzontale), molto probabilmente si tratterà
di un impianto
destinato non
solo alla produzione di
acqua calda
sanitaria,
ma anche
all’integrazione
del fabbisogno termico per il
riscaldamento degli ambienti.
In questo caso, infatti, poiché la
domanda termica si concentra
in inverno, la maggiore inclinazione data al pannello permette di massimizzare la sua resa
proprio nella stagione di riscaldamento. Il già citato sito del
Joint Research Centre consente
di giocare con questi parametri,
calcolando la radiazione solare
disponibile in un certo sito per
diversi valori dell’inclinazione
del pannello e permettendo
così di valutare l’energia solare
raccolta dal pannello mese per
mese. La figura riporta, a titolo
di esempio, come varia l’energia solare raccolta da un pannello in Italia centrale al variare
della sua inclinazione sull’oriz-
Fig. 2 - Orientamento e inclinazione di una superficie
1792
1400
Bolzano
condizioni climatiche specifiche. Due località alla stessa latitudine, ad esempio per l’effetto
del mare, di un corso d’acqua
o di una catena montuosa, potrebbero avere un clima locale
anche molto differente e una
conseguente forte diversità di
soleggiamento. Nel grafico si
confronta l’energia solare disponibile in alcune località italiane con l’aggiunta di qualche
sito estero. È interessante notare
come, anche solo paragonando
siti in Italia, si possano raggiungere differenze vicine al 30%
in termini di energia solare che
incide su una superficie. Se poi
confrontiamo le località italiane
rio. Al di là della scelta del sito,
che quasi sempre non dipende
dalla volontà dell’installatore,
un aspetto di primaria importanza è il posizionamento della
superficie che deve catturare la
radiazione solare, vale a dire il
pannello solare termico o il modulo fotovoltaico. È doverosa, a
questo punto, una precisazione:
i valori di radiazione solare riportati fanno riferimento a una
superficie captante disposta
orizzontalmente. È a tutti noto
che se si dota una superficie di
una certa inclinazione, essa è in
grado di catturare una quantità
maggiore di radiazione solare.
Quando una superficie è inclinata rispetto all’orizzontale,
inoltre, la
quantità
di energia solare
che può essere
captata dipende anche da come questa
superficie è rivolta rispetto ai punti
cardinali. Questi due
angoli di inclinazione
e di orientamento, rappresentati in figura, definiscono il posizionamento del
pannello solare e la quantità
di energia solare che esso è in
grado di catturare e trasformare
in energia utile.
Palermo Francoforte Copenaghen Vienna
tis | www.rugiadapoint.it | www.infoimpianti.it
n. 300 gennaio 2014
19
semplificata indica che esso
può essere determinato come
la latitudine del sito meno una
decina di gradi. Nel caso del
centro Italia, quindi, si calcolerebbero 40° di latitudine meno
10° e si otterrebbe proprio il
valore ottimale di 30° visibile
nel grafico. Una valutazione
LO sapevate che...
...
Fig. 3 - Energia raccolta da un pannello in Italia centrale per inclinazione
Fig. 4 - Ombreggiamenti nel percorso del sole
2000
Energia solare incidente (kWh/m2 anno)
zonte. Come si evince dall’analisi del grafico, il massimo si ha
in corrispondenza di un angolo
di 30° e ciò è dovuto al fatto
che l’analisi è stata fatta basandosi sul valore medio annuo. È
chiaro, infatti, che come già sopra osservato se ci si concentra
sui soli mesi invernali l’angolo
ottimale sarebbe senza dubbio
più elevato, probabilmente vicino ai 60°. Nei Paesi del centro e nord Europa dove, tra l’altro, il sole è anche mediamente
più basso sull’orizzonte, non
è raro vedere impianti solari termici disposti sulle
facciate degli edifici.
Questo angolo di inclinazione “estremo” (pari a 90°)
consente di ottenere una buona
resa invernale ed evita
un possibile surriscaldamento estivo dell’impianto. Tornando al valore ottimale come media
annuale, una “regola” molto
90°
1800
Sole alla sua posizione più alta
1600
1400
1200
1000
45°
800
600
Posizione più bassa del sole
400
200
0
0
10
20
30
60
90
Inclinazione sull’orizzontale
precisa,
t u t t av i a ,
dipende da
numerosi
altri fattori
e può essere
condotta utilizzando, ad
esempio, lo
strumento
del sito
del Joint
Research
Centre sopra descritto.
Nonostante questa analisi dei valori ottimali
per il posizionamento dei collettori solari non di rado accade
che, per ragioni estetiche e di
facilità di montaggio, l’impianto sia disposto diversamente. È
opportuno precisare che, se gli
scostamenti dalla posizione ottimale sono contenuti, le perdite di energia raccolta risultano
spesso quasi trascurabili. Per
portare un esempio pratico,
tornando al grafico descritto
in precedenza, se dispongo di
un tetto orientato a sud ma non
inclinato in modo ottimale (per
esempio 20° invece di 30°), la
perdita che avrei installando i
collettori a filo della falda del
tetto, con un evidente migliore
effetto architettonico ed estetico, sarebbe inferiore al 2%.
Anche per quanto riguarda
l’orientamento rispetto ai punti
cardinali, ci si trova in una si-
tuazione simile. Se, ad esempio, si dota un impianto solare
di un’inclinazione di 20° o 30°
sull’orizzontale e si orienta, invece che a sud, verso sud-est (il
che significa un angolo di 45°
rispetto al posizionamento ottimale), la perdita energetica è
comunque inferiore al 5%. È
intuitivo, invece, che qualora
l’impianto dovesse essere posizionato nel quadrante nord le
perdite sarebbero probabilmente eccessivamente consistenti
per giustificare l’installazione.
inseguire il sole
Esiste, quindi, una posizione
ottimale per disporre i pannelli
solari, così da massimizzare
l’energia che essi sono in grado di raccogliere. Fino a questo
momento, però, si è dato per
scontato che questa posizione
fosse fissa. Non si potrebbe
considerare, invece, la possibilità che i collettori siano mobili
e riescano a “inseguire” il sole
sia nel suo percorso giornaliero sia nella sua variazione di
altezza sull’orizzonte nelle diverse stagioni? Un impianto di
questo genere sarebbe, quindi,
molto “piatto” in estate e molto inclinato in inverno, oltre ad
avere un movimento giornaliero che gli consenta di essere sempre rivolto verso il sole
dall’alba al tramonto. Sistemi
di questo tipo si sono diffusi
in parte tra gli impianti foto-
Luci e ombre
Che i collettori solari
non debbano essere in
ombra sembra un’affermazione
quasi ridicola. Nella pratica
quotidiana della progettazione e
dell’installazione degli impianti,
tuttavia, spesso si trascura il
possibile effetto della presenza
di elementi ombreggiamenti
sul rendimento e del sistema
e sulla quantità di energia
producibile. Tutti gli ostacoli che
si frappongono tra i collettori
e la posizione del sole in
diversi momenti della giornata
e dell’anno devono essere
considerati e valutati. L’effetto
dell’ombra dipenderà dalla loro
distanza dal tetto e dall’altezza
relativa al tetto stesso. Anche la
posizione degli ostacoli rispetto
ai punti cardinali è di primaria
importanza. Un ostacolo che
si trova esattamente a sud
potrebbe rivelarsi del tutto
ininfluente perché il sole, in
quel momento, è sempre nel suo
punto più alto. Se, però, questo
ostacolo presenta un’altezza
notevole, potrebbe ombreggiare
il sole proprio nel periodo in cui
esso è in grado di trasferire la
maggiore quantità di energia.
Per avere un’idea della possibile
perdita di energia solare raccolta
a causa dell’ombreggiamento,
lo schema nella figura riporta
un paio di ostacoli (il rettangolo
rosso e quello verde) assieme
alla loro posizione sovrapposta
ai percorsi del sole. In un caso
come questo, la perdita potrebbe
essere considerevole, anche
attorno al 15% o al 20%, poiché
l’ostacolo rosso appare piuttosto
ampio, alto e disposto quasi a
sud. Anche l’ostacolo verde,
sebbene più stretto, risulta
molto elevato e posizionato
esattamente a sud.
voltaici installati con i primi
Conti energia, dove gli incentivi piuttosto generosi hanno
reso particolarmente conveniente approfittare di qualsiasi
briciola di energia addizionale
producibile dall’impianto.
Solitamente, però, un sistema
di inseguimento non risulta
una scelta ottimale in quanto
il conseguente incremento di
resa energetica non arriva a
giustificare la spesa aggiuntiva
e la derivante complicazione
impiantistica, con le annesse
problematiche di gestione e
manutenzione.
L’inseguimento del sole appare come la soluzione più
attrattiva soprattutto dove il
0°
clima presenta assenza di nuvole per gran parte dell’anno.
In queste situazioni, allora,
la radiazione solare è soprattutto di tipo diretto, mentre la
sua componente diffusa, cioè
la radiazione presente anche
in condizioni di nuvolosità, è
estremamente più contenuta.
Ne consegue, perciò, che avere un pannello sempre rivolto
verso il sole può portare a un
incremento di energia raccolta anche del 20% o del 30%.
Nel campo degli impianti solari termici, comunque, il caso
di sistemi a inseguimento è
pressoché inesistente, tranne
nell’ancora marginale settore
degli impianti a concentrazio-
ne. Per completezza, si osserva
che, oltre alle già introdotte
componente diretta (il classico
“raggio di sole”) e componente diffusa (quella che, a volte,
provoca scottature estive anche
in giornate nuvolose), la radiazione solare è formata anche da
un terzo contributo, la componente riflessa. Si tratta, come
noto, della radiazione che colpisce la superficie del pannello
solare dopo la riflessione su
altre superfici come il terreno,
l’acqua eccetera. Dal punto di
vista quantitativo è un contributo quasi sempre irrilevante,
a meno di peculiari condizioni
come un terreno innevato attorno ai collettori solari.