La radiazione solare è la più ricca fonte di energia rinnovabile a disposizione dell'uomo, infatti essa è praticamente inesauribile e rende possibili tutti i processi vitali, dalla crescita delle piante, alla vita di tutti gli organismi animali. E' energia solare quella accumulata per millenni sotto forma di combustibili fossili (petrolio, carbone, ecc), è energia solare quella che alimenta il ciclo dell'acqua sulla Terra rendendo possibile lo sfruttamento idrico, ed è ancora energia solare quella che provoca lo spostamento di grandi masse d'aria e di acqua, ossia i venti e le correnti marine. Essa trae origine dai processi di fusione che avvengono all'interno del Sole e che sono resi possibili a causa dell'elevata temperatura (10-40 milioni di gradi Kelvin) e della grande densità (circa 90g/cm3) della regione più interna. Il processo più importante trasforma 4 nuclei di idrogeno in nuclei di elio; in
ogni secondo 564x106 tonnellate di H
2 si trasformano in 560x106 tonnellate di He, dando origine a 3.8x1023 KJ di energia, che
viene irradiata nello spazio sotto forma di onde elettromagnetiche. La radiazione solare che giunge sulla terra è caratterizzata da onde di lunghezza compresa tra 0,2 e 3 µm (micrometri, cioè milionesimi di metro); l'occhio umano percepisce come luce solo le radiazioni con lunghezza d'onda compresa tra 0,38 e 0,76 µm. Le onde che hanno una lunghezza compresa tra 0,2 e 0,38 µm sono denominate ultraviolette, quelle con lunghezza tra 0,78 e 10 µm sono dette infrarosse. Ogni anno il sole irradia sulla superficie terrestre 19000 miliardi di TEP (tonnellate equivalenti di petrolio). Una quantità infinitesimale, rispetto a quella prodotta ma anche una quantità enorme, se si pensa che la domanda mondiale di energia è pari solo a 8 miliardi di TEP l'anno prodotta ma anche una quantità enorme, se si pensa che la domanda mondiale di energia è pari solo a 8 miliardi di TEP l'anno mentre il fabbisogno italiano è di appena 167 milioni di TEP. Durante l'attraversamento dell'atmosfera terrestre l'onda solare subisce una serie di fenomeni che diminuiscono l’intensità incidente sul suolo (fig.1): una parte di essa viene riflessa verso lo spazio (circa il 25%), principalmente ad opera delle nubi, un'altra parte viene assorbita e riemessa in tutte le direzioni dalle molecole di azoto, ossigeno, vapore acqueo,anidride carbonica, ozono, originando quella porzione di radiazione che noi chiamiamo diffusa (circa il 18%), infine, una porzione che raggiunge la superficie della terra nonostante l’ assorbimento atmosferico, detta radiazione diretta (circa il 52%). Soltanto un'aliquota dell'irraggiamento solare raggiunge perciò il suolo terrestre, poiché nell'attraversamento dell'atmosfera esso risulta selettivamente assorbito e disperso. Dell'energia ricevuta dalla superficie terrestre, una parte viene pertanto assorbita dal terreno, una parte riflessa, una parte rimessa come radiazione infrarossa , una parte va dispersa per convezione e una parte contribuisce all'evaporazione superficiale dell'acqua.
Figura 1. Flusso di energia tra il sole, l’atmosfera, e la superficie terrestre
Inoltre l’intensità della radiazione solare che raggiunge il suolo terrestre varia in base:
•alla posizione della Terra rispetto al Sole. Durante l'inverno, infatti, nell’emisfero boreale i raggi del sole arrivano con un angolo basso rispetto all'orizzonte e pertanto le superfici orizzontali (tangenti alla superficie della Terra) risultano irradiate con scarsa intensità, mentre le superfici verticali esposte a Est, Sud, Ovest vengono irradiate intensamente.
•alla rotazione della Terra attorno al suo asse, la parte esposta ai raggi solari varia con ritmo giornaliero, od orario: i raggi del mattino e della sera investono le superfici verticali con angoli relativamente efficaci, essendo il Sole basso sull'orizzonte, mentre nelle ore meridiane l'irraggiamento più intenso raggiunge i piani orizzontali.
•alla latitudine del sito considerato •alla quota
La potenza della radiazione solare incidente su una superficie ad essa perpendicolare, posta al di fuori dell'atmosfera terrestre, ad una distanza media tra sole e terra è praticamente costante ed è pari a 1,35 kW/m² ; detta potenza è chiamata costante solare. Per effetto dell’assorbimento atmosferico questo valore si riduce a circa 1,0 kW/m² al livello del mare perché aumenta lo spessore dello strato d'aria attraversato; per questo motivo si ha maggiore convenienza nel raccogliere la radiazione solare in siti posti al di sopra del livello del mare, ad esempio in montagna. Inoltre man mano che il Sole si allontana dallo zenit, aumenta l'assorbimento atmosferico in quanto aumenta lo spessore di atmosfera attraversata.
L’Italia ha un buon livello di irraggiamento solare, grazie alla posizione geografica, quindi tutto il territorio si presta benissimo all’uso di questa fonte energetica rinnovabile, pulita e gratuita (fig.2)
È evidente che qualsiasi considerazione sulle relazioni fra l'energia solare e la Terra e sulla possibilità di utilizzare tale energia, è basata sulla conoscenza della distribuzione geografica della intensità della radiazione solare. Le informazioni sulla radiazione solare sono fornite generalmente dai servizi meteorologici, che raccolgono i dati tramite strumenti di massima precisione. Lo strumento che misura la durata dell’irraggiamento solare è l’eliografo (fig.3); questo è sensibile alla radiazione diretta, cioè ai raggi solari visibili che determinano le ombre, con un limite minimo di illuminazione che può variare tra 70 e 280 W/m2.
Figura 3. Eliografo
L'irraggiamento totale si registra mediante un apparecchio chiamato piranometro (fig.4), che riceve l'energia solare
proveniente da tutto l'emisfero celeste, vale a dire da un orizzonte, in modo da misurare la radiazione incidente su una superficie orizzontale. Esso ha una sensibilità compresa tra 0.3 e 3 mm nello spettro di lunghezza d’onda misurata. L'apparecchio più comunemente utilizzato è il piranometro di Eppley, costituito da due anelli concentrici in argento; quello interno è ricoperto di nero, quello esterno di bianco. Misurando la differenza di temperatura tra i due anelli mediante delle termocoppie è possibile ricavare il valore dell'irraggiamento totale. I piranometri in uso hanno una sensibilità tale che la
Il terzo tipo di misurazione è quello della radiazione diffusa. Si utilizzano in questo caso piranometri forniti di un dispositivo supplementare che serve da schermo alla radiazione diretta.
La radiazione diretta si misura con il pireliometro (fig5): questo strumento comporta un'apertura ridotta e una superficie ricevente che deve essere mantenuta ortogonale ai raggi del sole. L'uso del pireliometro rappresenta un'operazione alquanto delicata e le letture devono essere corrette tenendo conto della temperatura delle diverse parti dell'apparecchio.
Figura 5. Pireliometro
Utilizzazioni energetiche dell’energia solare
La radiazione solare può essere utilizzata per fini energetici con:
•il solare termico, che consiste nella conversione dell'energia solare in energia termica, attraverso i collettori solari;
•il solare elettrico o fotovoltaico, che consiste nella conversione diretta dell'energia solare in energia elettrica attraverso un fenomeno fisico-chimico denominato effetto fotovoltaico.
La tecnologia per l'utilizzo termico dell'energia solare ha raggiunto maturità ed affidabilità tali da farla rientrare tra i modi più razionali e puliti per scaldare l'acqua o l'aria nell'utilizzo domestico e produttivo. La radiazione solare, nonostante la sua scarsa densità (che raggiunge 1kW/m² solo nelle giornate di cielo sereno), resta la fonte energetica più abbondante e pulita sulla superficie terrestre. Il rendimento dei pannelli solari è aumentato di un buon 30 % nell'ultimo decennio, rendendo varie applicazioni nell'edilizia, nel terziario e nell'agricoltura commercialmente competitive. L'applicazione più comune è il collettore solare termico utilizzato per scaldare acqua sanitaria. Un metro quadrato di collettore solare può scaldare a 45÷60 °C tra i 40 ed i 300 litri d'acqua in un giorno a secondo dell'efficienza che varia con le condizioni climatiche e con la tipologia di collettore Le tecnologie per utilizzare l'energia solare per produrre calore sono di tre tipi: a bassa, media ed alta temperatura. Nel mondo sono installati oltre 30 milioni di metri quadri di pannelli solari di cui 3 milioni nell'Unione europea. In Italia l'applicazione dei pannelli solari per scaldare l'acqua può essere ancora molto potenziata. Nel 2000 sono stati installati circa 25.000 m², molto pochi anche rispetto a paesi più freddi (per esempio l'Austria) ma più sensibili a questioni economico ambientali relative a questo settore. Il parco del solare termico in Italia è oggi di 350.000 m², l'utilizzo maggiore è dovuto all'utenza domestica, ad impianti di prevalente utilizzo estivo ed alle piscine.
Le applicazioni più comuni sono relative ad impianti per acqua calda sanitaria, riscaldamento degli ambienti e piscine; sono in aumento casi di utilizzo nell' industria, nell'agricoltura e per la refrigerazione solare. I collettori solari ad aria calda si differenziano da quelli ad acqua per il fatto che in essi il fluido termovettore è costituito da aria. I campi d'applicazione per tali impianti sono da quelli ad acqua per il fatto che in essi il fluido termovettore è costituito da aria. I campi d'applicazione per tali impianti sono tipicamente quelli di riscaldamento dell'aria per la climatizzazione ambientale e, in campo industriale, per i processi d'essiccazione di prodotti alimentari. Nel campo della climatizzazione ambientale il vantaggio di utilizzare i collettori ad aria consiste nel fatto che l'aria in essi riscaldata può essere inviata direttamente all'ambiente senza scambiatori di calore intermedi. Ciò permette un notevole aumento di efficienza del sistema, basti pensare che, di solito, con un sistema ad acqua, per riscaldare un ambiente a 20÷22 °C, occorre portare l'acqua almeno a 60÷70 °C.
Il principio di funzionamento dei collettori ad aria è pressoché lo stesso di quelli ad acqua, ma i parametri di dimensionamento variano sostanzialmente, in quanto l’aria scambia calore con maggiore difficoltà dell’acqua. Occorre perciò assicurare all'aria un tempo di permanenza più lungo all'interno del collettore; per questo motivo il percorso di solito è tortuoso, per rallentare il flusso dell'aria. Per il resto, il collettore ad aria, come quello ad acqua, è costituito da una piastra captante, una o più coperture trasparenti e l'isolamento termico. I collettori solari per piscina possono fornire fino al 100% delle necessità termiche delle piscine. Sono inoltre i più semplici da installare della categoria. La combinazione di un sistema di riscaldamento solare e l'utilizzo di una copertura notturna può accrescere sensibilmente la lunghezza della stagione balneare con un incremento dei costi gestionali molto contenuto. Le tipologie di collettori solari termici variano molto in termini di costo e di prestazioni. Per di più, essendo l'energia solare una fonte aleatoria sulla superficie terrestre, i collettori solari termici vanno realisticamente considerati integrativi rispetto alle
La percentuale di energia termica prodotta annualmente da un collettore solare termico prende il nome di fattore di copertura del fabbisogno termico annuo. A Roma, per un sistema che ottimizzi il rapporto costi/energia prodotta, questo fattore non supera il 65%. Questo limite è comune a moltissime tecnologie basate su fonti rinnovabili, il più delle volte caratterizzate da disponibilità aleatoria o periodica. A causa di ciò, con il crescere delle dimensioni dell'impianto, cresce il fattore di copertura del carico termico, ma la relazione tra il costo dell'energia e l'energia prodotta resta lineare fino al 55%÷60%. Superato questo valore, il costo continua ad aumentare linearmente con le dimensioni dell'impianto, mentre l'energia prodotta aumenta meno rapidamente, il che si traduce in un maggiore costo dell'unità di superficie di collettore. E' per questo motivo che un collettore solare termico per la produzione di acqua calda sanitaria dimensionato correttamente viene progettato per soddisfare il 60÷65% del fabbisogno termico.
Il solare termico in crescita in Europa
Secondo i dati comunicati nel corso di Solarexpo 2002, la fiera delle energie rinnovabili di Verona, il mercato europeo del solare termico ha raggiunto nel 2001 la quota di 11,5 milioni di metri quadrati di collettori installati, con un tasso di crescita annuale di circa il 30%. I paesi dell’UE, in cui si è sviluppato maggiormente lo sfruttamento dell’energia solare, sono tre : Germania, Grecia e Austria. Tuttavia, Grecia e Austria hanno una densità di installazioni per abitante maggiore della stessa Germania, dove ogni anno si installano 400.000-500.000 metri quadrati di collettori. Attualmente l’Italia non supera complessivamente i 350.000 metri quadrati e s’installano meno di 40.000 metri quadrati all’anno. In Italia ci sono 15 aziende produttrici di tecnologia, e la maggior quadrati e s’installano meno di 40.000 metri quadrati all’anno. In Italia ci sono 15 aziende produttrici di tecnologia, e la maggior parte degli operatori del settore sono distributori di prodotti esteri.
Lo sfruttamento termico dell’energia solare in Italia
La tecnologia di sfruttamento termico dell'energia solare per lungo tempo è stata ritenuta troppo costosa..Una ricerca di mercato svolta nel giugno 2001 dall'Enea mostra come il grande pubblico conosca superficialmente i "pannelli solari": ne ha solo sentito parlare, ma di fatto poco o nulla conosce del loro funzionamento, quali siano i loro rendimenti e quali i loro costi. La stessa ricerca evidenzia tuttavia come il 74% degli impianti in esercizio sia stato acquistato negli ultimi 4 anni e segnala che il 98% di quanti hanno adottato un sistema solare sono disposti ripetere l'investimento. Negli ultimi anni il mercato italiano del solare termico ha invertito la tendenza rispetto alla crisi degli anni '80. Nel 2000 sono stati installati quasi 40.000 mq con una crescita media annua, negli ultimi 5 anni, di circa il 15%. Il parco installato complessivo è attualmente di poco superiore ai 350.000 mq. A fronte di questa crescita si registra l'aumento della sensibilità verso lo sfruttamento delle fonti rinnovabili di energia, che ha convinto il Ministero dell'Ambiente a promuovere numerose iniziative di incentivazione, sia per il settore pubblico che privato. In quest’ultimo caso sono stati stanziati 18 milioni di euro (al 50% messi a disposizione dalle regioni) per incentivare l’installazione di impianti solari termici per la produzione di calore a bassa temperatura presso tutti i soggetti ( privati cittadini, Enti locali, imprese) attraverso bandi regionali.
Altri filoni d'incentivazione sono stati attivati nel corso del 2002-2003 per le piccole e medie imprese, nell'ambito degli utilizzi dei fondi nazionali della carbon tax, per le piccole isole e per le aree protette, nell'ambito di specifici programmi di diffusione delle fonti rinnovabili. Le applicazioni più comuni sono relative ad impianti per acqua calda sanitaria, riscaldamento degli ambienti e riscaldamento delle piscine, ma sono in aumento anche gli utilizzi nell'industria, nell'agricoltura e per la refrigerazione solare, pur essendo quest'ultima ancora una soluzione di frontiera.
Installare i sistemi solari conviene?
L’elevato livello di prezzo raggiunto attualmente dal gasolio per riscaldamento e del gas metano fa diventare conveniente l’installazione dei pannelli solari. Oggi anche le famiglie possono scegliere di utilizzare i sistemi solari, perché il risparmio sulle bollette energetiche consente di ripagare in alcuni anni il costo dell’investimento. Infatti, dopo la crisi petrolifera degli anni settanta (1970), con il conseguente forte aumento del prezzo del petrolio greggio, è stato il primo campanello di allarme. Negli anni seguenti, i Governi hanno gravato di tasse sempre crescenti i consumi del gasolio, del metano e dell’elettricità. La politica delle compagnie petrolifere ha riversato sul gasolio gli aumenti di prezzo maggiori. Dopo un breve periodo di prezzi bassi utilizzato per convincere gli utenti a collegarsi alla rete del gas, le aziende distributrici hanno aumentato il prezzo del gas metano portandolo quasi a livello di quello del gasolio, oltre tutto gravato da imposta e tasse piuttosto elevate. Il risultato di tutto metano portandolo quasi a livello di quello del gasolio, oltre tutto gravato da imposta e tasse piuttosto elevate. Il risultato di tutto ciò è che attualmente in Italia il peso delle bollette energetiche (elettricità, gasmetano e gasolio) raggiunge ormai il 10-20% del reddito delle famiglie.
Tecnologie disponibili
La tecnologia per l’utilizzo dell’energia solare, ha raggiunto maturità ed affidabilità tali da farla rientrare tra i modi più razionali e puliti per scaldare l’acqua o l’aria nell’utilizzo domestico e produttivo. La radiazione solare, nonostante la sua scarsa densità (che raggiunge 1kW/mq solo nelle giornate di cielo sereno), resta la fonte energetica più abbondante e pulita sulla superficie terrestre.
Impianti a bassa temperatura (inferiore a 100 °C)
Un impianto solare (fig.6) per la produzione di acqua calda è composto dalle seguenti unità: •uno o più collettori che captano la radiazione solare;
•un circuito idraulico che collega i pannelli solari con il serbatoio di accumulo; •uno scambiatore di calore;
Figura 6. Impianto solare per la produzione di acqua calda sanitaria
Si analizza ora più in dettaglio le diverse parti dell’impianto.
Collettore
Il collettore è impiegato prevalentemente per la produzione di acqua calda (per uso civile, agricolo, industriale) o di aria calda (per riscaldamento di ambienti).
Oltre alla radiazione diretta, i collettori convertono in calore anche la radiazione diffusa. Quest’ultima non è trascurabile, raggiungendo anche il 20% di quella diretta in giornate con cielo sereno ( quindi con un massimo teorico di 200 W/mq), ed arrivando anche a valori superiori in una giornata nuvolosa.
Il collettore solare è costituito dai seguenti elementi fondamentali (fig.7):
•copertura trasparente, costituita da una o più piastre di vetro o di plastica posta al di sopra della piastra assorbente, per ridurre gli
scambi termici convettivi e radiativi tra la piastra e l’atmosfera;
•piastra assorbente nera, che provvede ad assorbire la radiazione ed a trasferire l’energia raccolta ad un fluido termovettore;
•isolamento termico, per ridurre al minimo le perdite per conduzione della piastra.
•Involucro, di forma parallelepipeda, con funzione di contenimento e di protezione da polvere, umidità, ed agenti atmosferici.
La funzione di un collettore è quella di trasformare l’energia radiante del sole in energia termica del fluido che scorre all’interno dei tubi; il bilancio termico istantaneo del collettore è, secondo le leggi della trasmissione del calore, il seguente:
IbAc(ta)=Qa=Qu+Qp+Qacc
•Ibè l’intensità della radiazione solare globale incidente sul piano del collettore (W/mq).
•(ta) è chiamato prodotto effettivo trasmissività-assorbimento, ed è pari al prodotto del coefficiente di trasmissione della lastra trasparente “t” (dimensionale), ed il coefficiente di assorbimento della piastra “a” (dimensionale).
•Acè l’area del collettore (mq).
•Qaè la potenza termica assorbita dalla piastra (W).
•Què la potenza termica utile trasferita al fluido termovettore (W). •Qpè la potenza perduta dal collettore verso l’esterno (W).
•Q è l’energia termica accumulata dal collettore nell’unità di tempo (W), nulla in condizioni di regime stazionario. •Qaccè l’energia termica accumulata dal collettore nell’unità di tempo (W), nulla in condizioni di regime stazionario. I collettori solari, per massimizzare l’energia captata, devono avere un adeguato orientamento (verso sud, od al limite verso sud-est o sud-ovest) ed una adeguata inclinazione rispetto al piano orizzontale.
L’inclinazione ottimale dipende dalla latitudine del luogo in cui devono essere installati e dal periodo temporale per cui si intende ottimizzare il funzionamento:
•i = L+15° se l’utilizzo del pannello è prevalentemente invernale; •i = L-15° se l’utilizzo del pannello è prevalentemente estivo;
•i = L se si intende ottimizzare il funzionamento dei collettori per tutto l’anno
dove “i” è l’inclinazione del pannello rispetto al piano orizzontale [gradi sessagesimali], L è la latitudine della località [gradi sessagesimali].
Al fine di assicurare la massima captazione dell’energia incidente, al lastra di copertura deve risultare estremamente trasparente per lunghezza d’onda comprese tra 0,4 e 2,5µm; la piastra assorbente investita dalla radiazione solare, ne assorbe gran parte e si riscalda emettendo a sua volta energia sotto forma di radiazione termica la cui lunghezza d’onda dipende dal livello di temperatura secondo la legge di Wien:
λ = 2897/T
dove λ è la lunghezza d’onda in mm e T la temperatura in Kelvin.
L’energia emessa dalla piastra, essendo la temperatura massima raggiunta inferiore ai 100oC, rientra nel campo di lunghezza
d’onda corrispondente all’infrarosso.
Questa energia emessa dalla piastra investirà la copertura trasparente che rifletterà verso la piastra stessa il 50% dell’energia che altrimenti sarebbe stata irradiata completamente verso l’esterno. Aumentando il numero di vetri di copertura del collettore, si recuperano frazioni crescenti dell’energia emessa dalla piastra. Nella pratica non vengono istallati più di due o tre lastre di vetro, perché all’aumentare del numero di vetri si riduce la trasparenza globale del collettore e quindi la quantità di radiazione assorbita. Tra le lastre di vetro solo quelle realizzate con vetro limpido a basso contenuto di Fe2O3soddisfano pienamente i requisiti, con una trasmittanza solare del 90% ed una termica inferiore al 10%. Gli inconvenienti del vetro sono rappresentati dalla sua fragilità e dal relativamente alto peso specifico. In alcune applicazioni sono state impiegate coperture in plastica (polimetilmetacrilato), meno fragili e più leggere di quelle in vetro; questi materiali presentano una trasmittanza solare maggiore di quella del vetro, per contro risultano in generale meno opachi alla radiazione termica.
contro risultano in generale meno opachi alla radiazione termica.
La copertura trasparente va posizionata a 2,5- 4 cm di distanza dalla piastra assorbente per ridurre le perdite causate dai moti