La tecnologia del solare termico

Le due maggiori tecnologie che sfruttano l’energia solare in maniera diretta sono il pannello fotovoltaico, atto alla produzione di energia elettrica, ed il pannello solare termico.

Quest’ultima tecnica viene impiegata per produrre acqua calda sanitaria e/o per riscaldamento domestico. Si presume che un primo prototipo rudimentale dell’attuale pannello solare fu inventato nel 1767 da Horace-Bénédict de Saussure, il quale predispose tale tecnica per la cottura. Al giorno d’oggi la tecnologia si è notevolmente evoluta raggiungendo delle performance in grado di soddisfare le nostre richieste. Ciò è stato possibile incrementando il grado di assorbimento della radiazione solare (a > 0,95) e contemporaneamente di ridurre il fattore di emissività (ε < 0,1), che altrimenti ne abbasserebbe il rendimento.

Gli attuali strumenti sono costituiti da (Pauschinger et al., 2003):

 Collettore, solitamente costituito da un metallo ottimo conduttore termico, come il rame, che è in grado di assorbire l’energia irradiata incidente e di convertirla in calore.  Fluido termovettore, che circola in contatto al collettore e al quale quest’ultimo cede

calore. Comunemente si utilizza una miscela di acqua e glicole polipropilenico (atossico ed anticorrosivo). L’aggiunta di glicole serve a prevenire il congelamento invernale e ad incrementare il punto ebullioscopico.

Tabella 7 Temperature di congelamento ed ebollizione di miscele acqua-propilenglicole [56]

 Scambiatore di calore, dove circola il fluido termovettore, utilizzato per riscaldare l’acqua contenuta all’interno di un serbatoio di stoccaggio ben coibentato.

Questi sono i componenti imprescindibili di ogni pannello, ma all’interno di questa ampia famiglia si individua un gran numero di tecnologie che hanno caratteristiche differenti. Alcuni pannelli solari vengono definiti vetrati, poiché oltre ad avere una coibentazione laterale e sul retro con poliuretano, sono dotati di un una copertura trasparente frontale che ne riduce le

51 dispersioni termiche dovute al reirraggiamento e, di conseguenza, ne migliora il rendimento (Pauschinger et al., 2003).

Figura 21 Struttura di un collettore tubolare vetrato [60]

Figura 22 Schema di funzionamento di un pannello solare termico vetrato rispetto ad uno scoperto

Si hanno anche i collettori a tubi sottovuoto, dove ogni striscia di assorbitore è inserita in un tubo di vetro in cui è stato creato il vuoto. Questo comporta un’ottima coibentazione, di fatti come mostrato nella Figura 23 il fattore di efficienza rimane circa costante al variare del fattore χ (espresso in ). Tale caratteristica ne rende possibile il lavoro anche nel campo del calore per processi industriali, grazie al raggiungimento di temperature elevate (Pauschinger et al., 2003). 5< λ <20μm 0,2< λ <2μm 0,2< λ <2μm 5< λ <20μm Assorbitore Telaio

Copertura trasparente (vetro)

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Figura 23 Andamento dell’efficienza di diverse tecnologie di solare termico (fonte:ENEA)

La superficie di tali impianti viene rivolta esattamente a sud, poiché è in tale direzione che garantiscono le massime prestazioni energetiche. Tuttavia alle volte particolari condizioni locali, come ad esempio gli ombreggiamenti o la posizione delle falde del tetto, possono consigliare una leggera variazione di orientamento rispetto al sud (la variazione massima consigliata è di 30° rispetto al sud). Siccome la somma della radiazione su una superficie dipende essenzialmente dal suo orientamento, l'inclinazione dei collettori, rispetto al piano orizzontale, sarà fondamentale per poter ottenere una radiazione massima incidente (Pauschinger et al., 2003). In particolar modo si ritiene che le prestazioni migliori si ottengano con un angolo di inclinazione di circa 30°; tuttavia esse saranno influenzate dal tipo di utilizzo e dalla stagione d'impiego (Merloni termosanitari, 2011).

 Per utilizzi invernali la migliore inclinazione corrisponde alla latitudine della località aumentata di circa 10 - 15° per incrementare la captazione anche con il sole basso verso l'orizzonte, (L+10)°, (L+15°). Si possono accettare anche inclinazioni diverse attorno ai 10-20°, senza incorrere in grosse perdite nella resa dell’impianto.

 Se si intende utilizzare l’impianto continuativamente durante tutto l'arco dell'anno, è consigliata un’inclinazione pari alla latitudine (L)°.

 Per impieghi esclusivamente estivi, come campeggi e piscine, l’inclinazione migliore è pari alla latitudine diminuita di 10-15° come: (L-10)°, (L-15)°.

Spesso per installazioni su tetti inclinati i collettori solari dovranno essere posizionati, per motivi estetici e precauzionali, parallelamente alla falda del tetto, anche se questa non possiede un’inclinazione ottimale (in questo caso per aumentarne la resa si amplia la

53 superficie captante) (Merloni termosanitari, 2011). Il funzionamento di tali pannelli può essere caratterizzato da una movimentazione del fluido termovettore in circolazione forzata oppure naturale. Il primo è formato da un collettore solare a sé stante, connesso attraverso un circuito con un serbatoio localizzato nell’edificio e la movimentazione del fluido è garantita da una pompa (P = 40W), che viene attivata da un regolatore differenziale, in grado di individuare quando la temperatura all’interno del collettore è superiore alla temperatura di riferimento impostata nel serbatoio di accumulo. Questa prima tecnologia, sicuramente più costosa e complessa, ha come vantaggio la posizione verticale, che consente un’efficienza maggiore, dovuta alla migliore stratificazione dell’acqua, e la collocazione dei serbatoi all’interno dell’edificio, lontano da intemperie. In estate l’impianto solare copre tutto il fabbisogno di energia per il riscaldamento dell’acqua sanitaria, mentre in inverno e nei giorni con scarsa insolazione serve per il preriscaldamento dell’acqua. La parte del serbatoio che contiene l’acqua calda a pronta disposizione, cioè quella da tenere sempre in temperatura, può essere riscaldata da uno scambiatore di calore legato a una caldaia. Il riscaldamento ausiliario viene comandato da un termostato quando nel serbatoio la temperatura dell’acqua nella parte a pronta disposizione scende al di sotto della temperatura nominale desiderata.

Figura 24 Schema di funzionamento di un impianto a circolazione forzata [60]

Negli impianti a circolazione naturale la movimentazione tra collettore e serbatoio di accumulo avviene grazie al principio di gravità, senza energia addizionale. Il fluido termovettore si riscalda nel collettore; ciò provoca una differenza di densità rispetto al fluido freddo, presente all’interno del serbatoio, tale da instaurare una circolazione naturale. Gli impianti a circolazione naturale vengono offerti come un’unità premontata fissata su una struttura di supporto oppure vengono integrati nel tetto. Il riscaldamento ausiliario può essere ottenuto con una resistenza elettrica, inserita nel serbatoio, oppure con una caldaia istantanea a valle del serbatoio (Pauschinger et al., 2003).

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Figura 25 Collettore a circolazione naturale [60]

La tecnologia del solare termico, se ben sfruttata, può sottrarre spazio all’utilizzo di combustibili fossili smentendo le

false credenze italiane secondo le quali la potenza solare che incide il nostro Paese non sia sufficiente a soddisfare il fabbisogno energetico. Molte fonti, come la carta del soleggiamento riportata di seguito, mostrano chiaramente che le potenzialità di uno stato del sud Europa, come il nostro, vanno dai 3000 ai 6000 Wh/m2, paragonabili a

quelle di Spagna e Portogallo. Purtroppo nell’ultimo decennio l’Italia ha avuto una crescita modesta di tale tecnologia, che si è attestata attorno al 15% l’anno, minore della media mondiale (che è del 20%). Se nel 2005 la potenza complessiva installata era di 406,7MWth, secondo un Rapporto preliminare sullo stato attuale del solare termico nazionale del 2007, effettuato dal CNES (Commissione Nazionale per l’Energia Solare), al 2020 potrebbe arrivare a 39.551 MWth. Quindi ciò comporterebbe una notevole riduzione dei consumi nazionali di energia, che, grazie allo sfruttamento del solare termico, potrebbero essere ridotti del 30% (percentuale di energia utilizzata per “basse temperature” cioè a scopo residenziale) entro il 2030 (Armaroli & Balzani, 2004).

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