Capitolo 15
COLLETTORI SOLARI TERMICI
Gli impianti solari termici permettono di convertire in modo diretto l'energia solare in energia termica, utilizzata ad esempio per la produzione di acqua calda sanitaria oppure per il riscaldamento degli ambienti.
La parte funzionale più importante di un impianto solare termico è costituita dai collettori solari, che permettono di convertire la massima parte dell'energia elettromagnetica associata alla radiazione solare incidente in calore. Ogni collettore è caratterizzato da un parametro, definito rendimento, che indica la quantità di energia effettivamente trasferita al fluido. Tale parametro tiene conto delle caratteristiche tecniche del collettore e dei suoi componenti e delle specifiche condizioni in cui esso si trova ad operare (soleggiamento, composizione spettrale della radiazione incidente, temperatura ambiente, temperatura del fluido termovettore, ecc).
Inoltre, occorre tenere in considerazione il fatto che non tutta l'energia raccolta, può essere sfruttata efficacemente, in quanto all'interno del collettore si verificano delle perdite di calore per riflessione, assorbimento ed irraggiamento.
Negli ultimi anni si è registrato un numero crescente di applicazioni differenti ed innovative, come ad esempio la produzione di vapore ad uso industriale o l'impiego in cicli termodinamici. In ogni caso le modalità funzionamento sono generalmente analoghe.
Al fine di rendere più chiaro il principio di funzionamento di un collettore solare, di seguito si farà riferimento ad una particolare tipologia di pannello solare, ovvero il collettore solare piano vetrato. Tale pannello si adatta alla maggior parte delle applicazioni e pertanto è molto diffuso.
15.1 PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DI UN COLLETTORE SOLARE PIANO VETRATO
Il collettore solare piano vetrato è il sistema più utilizzato negli impianti solari termici a bassa temperatura.
Il funzionamento di un collettore solare piano vetrato si basa sul seguente principio: la radiazione solare incidente sul collettore scalda l'assorbitore, piastra metallica di colore scuro che tende ad assorbire parte di questa energia aumentando in tal modo la propria temperatura. L'energia termica raccolta viene trasferita per conduzione e per convenzione ad un fluido termovettore (in genere una miscela di acqua e glicole) che circola all'interno di tubazioni saldamente connesse all'assorbitore. Successivamente, attraverso uno scambiatore termico, il calore prodotto viene trasferito ad un secondo fluido contenuto all'interno di un serbatoio di accumulo, dove staziona per assicurare alle
utenze la necessaria autonomia giornaliera. Dopo aver ceduto il calore, il fluido termovettore raffreddato, ritorna al collettore solare attraverso il circuito idraulico di ritorno.
Durante il funzionamento, l'assorbitore tende a scambiare calore non solo con il fluido termovettore ma anche con l'aria esterna, in quanto essa si trova ad una temperatura inferiore rispetto a quella raggiunta dall'assorbitore. Per limitare queste perdite la parte posteriore della piastra e le due superfici laterali, vengono rivestite con materiale isolante. Inoltre, per limitare le dispersioni per irraggiamento viene inserita una copertura trasparente.
Riassumendo, i componenti di un collettore solare piano vetrato (vedi figura 15.1) sono: - assorbitore (o piastra captante);
- copertura trasparente; - materiale isolante; - scatola di contenimento; - fluido termovettore.
Figura 15.1: Collettore solare piano vetrato
Assorbitore (o Piastra captante)
L'assorbitore ha il compito di captare la radiazione solare, di trasformarla in calore e di cederlo al fluido termovettore che scorre all'interno dei tubi ad esso collegati. Solitamente l'assorbitore viene realizzato in rame o in alluminio in quanto deve avere una buona conducibilità termica.
Nei collettori piani l'assorbitore può essere costituito da strisce di lamiera o da una superficie unica. Nella prima tipologia al di sotto di ogni striscia assorbente viene saldato un tubo diritto. Il circuito idraulico dell'assorbitore a strisce è ad arpa ed ha caratterizzato da una perdita di carico ridotta anche se il flusso potrebbe essere irregolare (vedi figura 15.2).
Figura 15.2: Collettore solare piano con tubo saldato ad arpa
Nell'assorbitore a superficie piana, il tubo può essere saldato ad arpa oppure a forma di meandro sull'intera superficie di assorbimento. Negli assorbitori a forma di meandro (vedi figura 15.3) il fluido scorre attraverso un unico tubo, per tale motivo garantiscono un buon scambio del calore prodotto.
Figura 15.3: Collettore solare piano con tubo saldato a forma di meandro
L'assorbitore viene trattato superficialmente applicando una vernice (selettiva o non). L'assorbitore trattato superficialmente con una semplice vernice acrilica nera e opaca, permette di abbattere la riflessione ed aumentare l'assorbimento della radiazione solare. Questo però ha un rendimento inferiore rispetto ad una piastra assorbente realizzata con vernici selettive. In questo caso le lamiere vengono trattate con un rivestimento galvanico (assorbitore cromato nero) oppure lo strato dell'assorbitore viene vaporizzato sul materiale di supporto (cosiddetti "strati blu"). In entrambi i procedimenti è garantita una grande selettività.
Superficie Vernice nera Cromo nero "Strati blu" Figura 1 Copertura trasparente
La copertura trasparente, posta davanti all'assorbitore, lunghezze d'onda tipiche della radiazione solare e
in modo tale da limitare le dispersioni verso l'ambiente esterno. I materiali più utilizzati per la sua realizzazione sono:
- il vetro singolo, caratterizzato da un'ottima convenzione;
- il vetro doppio, il quale diminuisce la trasparenza ma aumenta la capacità di isolamento termico; - il policarbonato alveolare,
singolo, ma meno trasparente riduce il ciclo di vita del collettore.
Materiale isolante
Lo scopo del materiale isolante superfici laterali ed inferiore
resistere a temperature fino a 200°C, senza deteriorare le sue proprietà isolanti. I materiali isolanti, porosi o in fibra, maggiormente utilizzati sono:
- poliuretano; - lana di poliestere; - lana di vetro;
- lana di roccia (lastre, rotoli, schiume iniettate a pressione).
In presenza di umidità, nei materiali isolanti porosi (assimilabili a spugne), l
diminuisce notevolmente; pertanto, per limitare i fenomeni di condensa viene posto un foglio di alluminio sulle lastre di isolante.
Realizzazione Fattore di assorbimento α Fattore di emissione e Verniciatura 0,95 0,85 Galvanizzazione 0,95 0,15 Vaporizzazione 0,95 0,05
Figura 15.4: Esempi di rivestimento dell'assorbitore
, posta davanti all'assorbitore, deve garantire un' elevata trasparenza alle iche della radiazione solare e una ridotta trasparenza alla radiazione infrarossa, in modo tale da limitare le dispersioni verso l'ambiente esterno.
I materiali più utilizzati per la sua realizzazione sono:
il vetro singolo, caratterizzato da un'ottima trasparenza ma non blocca le perdite per
il vetro doppio, il quale diminuisce la trasparenza ma aumenta la capacità di isolamento termico; , caratterizzato da ridotte perdite per convenzione rispetto al vetro ngolo, ma meno trasparente. Questo materiale tende ad opacizzarsi nel tempo e, pertanto, riduce il ciclo di vita del collettore.
materiale isolante è quello di ridurre al minimo le perdite per conduzione verso le del collettore. Inoltre deve garantire durabilità nel tempo e deve resistere a temperature fino a 200°C, senza deteriorare le sue proprietà isolanti.
i, porosi o in fibra, maggiormente utilizzati sono:
lana di roccia (lastre, rotoli, schiume iniettate a pressione).
In presenza di umidità, nei materiali isolanti porosi (assimilabili a spugne), l
diminuisce notevolmente; pertanto, per limitare i fenomeni di condensa viene posto un foglio di alluminio sulle lastre di isolante.
Fattore di emissione e
0,85 0,15 0,05
deve garantire un' elevata trasparenza alle una ridotta trasparenza alla radiazione infrarossa,
trasparenza ma non blocca le perdite per
il vetro doppio, il quale diminuisce la trasparenza ma aumenta la capacità di isolamento termico; caratterizzato da ridotte perdite per convenzione rispetto al vetro
tende ad opacizzarsi nel tempo e, pertanto,
ridurre al minimo le perdite per conduzione verso le del collettore. Inoltre deve garantire durabilità nel tempo e deve
In presenza di umidità, nei materiali isolanti porosi (assimilabili a spugne), l'isolamento termico diminuisce notevolmente; pertanto, per limitare i fenomeni di condensa viene posto un foglio di
Scatola di contenimento
La scatola di contenimento, generalmente realizzata in acciaio inossidabile o in alluminio inossidabile, ha lo scopo di proteggere gli elementi interni del collettore da sporcizia e da agenti atmosferici (neve, grandine, ecc). Inoltre, deve impedire l'ingresso di umidità nel collettore, la quale potrebbe provocare corrosioni e creare un velo di condensa che porterebbe alla riduzione della quantità di energia entrante.
Fluido termovettore
Negli impianti solari termici, il fluido termovettore accumula e trasporta il calore. La scelta del tipo di fluido condiziona il progetto e il funzionamento dell'impianto solare. Per tale motivo il fluido termovettore deve essere caratterizzato da un'elevata densità, da un alto calore specifico e da buone caratteristiche di scambio termico. Inoltre, deve essere chimicamente e termicamente stabile per temperature intorno ai 100 °C.
Nella maggior parte dei casi, il fluido termovettore utilizzato è l'acqua, al quale viene aggiunto un antigelo, solitamente glicole etilenico o propilenico, per evitare che raggiunga il punto di congelamento causando danni nel collettore e alle tubazioni esterne.
Il fluido termovettore non deve esercitare azione corrosiva sulle pareti del circuito, qualora si renda necessario si possono aggiungere degli inibitori
15.2 TIPOLOGIE COSTRUTTIVE
Nel corso degli anni sono state sviluppate diverse tipologie costruttive, pur rimanendo comune a tutte il principio di funzionamento.
I collettori solari a bassa temperatura possono essere classificati in: - collettori solari piani vetrati;
- collettori solari piani non vetrati; - collettori solari sottovuoto; - collettori ad accumulo integrato.
15.2.1 COLLETTORI SOLARI PIANI VETRATI
La tecnologia dei collettori piani vetrati, precedentemente presa a riferimento, risulta la più versatile e, per questo, la più diffusa anche grazie al compromesso prestazioni-prezzo. In Italia i collettori solari piani detengono attualmente una quota di mercato di circa l'80%.
La copertura vetrata di cui sono dotati questi collettori migliora notevolmente le prestazioni e garantisce buone efficienze ed un buon livello termico all'acqua calda sanitaria (40÷70 °C). Tali caratteristiche li rendono utilizzabili per tutta la durata dell'anno.
I collettori solari piani si possono installare in modo semplice e sicuro sui tetti delle case, come soluzione integrata o sopra il tetto. Sempre più frequente i collettori vengono installati anche sulla
facciata. Non presentano particolari difficoltà in fase di manutenzione ed hanno un alto grado di affidabilità, essendo una tecnologia molto diffusa da anni.
I collettori solari vetrati presenti sul mercato non sono tutti uguali; esiste anzi una grande varietà di alternative tecniche, impiantistiche ed economiche. Tuttavia è possibile individuare un modello standard che ne individui i componenti principali e ne descriva la logica di funzionamento.
I pannelli vetrati in commercio sono disponibili nelle due principali configurazioni: a circolazione naturale, con serbatoio integrato, e a circolazione forzata.
A seconda delle prestazioni, è possibile suddividere i collettori in due grandi famiglie: pannelli a vetri selettivi e pannelli a vetri non selettivi. In termini di rendimento, la differenza tra i collettori selettivi e quelli non selettivi è mediamente del 10÷15%. Sul mercato si trovano anche collettori vetrati semi-selettivi, con prestazioni intermedie tra quelle delle due principali famiglie, ma con un aumento dei costi contenuti rispetto ai collettori non selettivi.
Indicativamente, consentono di scaldare tutta (o quasi) l'acqua calda di cui abbiamo bisogno, per un periodo che va all'incirca da marzo ad ottobre. Nella stagione invernale, il loro rendimento è variabile a seconda delle condizioni geografiche e dell'efficienza del collettore.
15.2.2 COLLETTORI SOLARI PIANI NON VETRATI
I collettori solari piani non vetrati presentano una configurazione molto semplice: sono caratterizzati dall'assenza della copertura trasparente, dell'isolamento esterno e della scatola di contenimento (vedi figura 15.5). Questi pannelli per la loro struttura semplificata non hanno la possibilità di limitare le dispersioni termiche verso l'ambiente esterno.
I collettori solari piani non vetrati sono composti da una serie di tubi di materiale plastico (PVC, polipropilene, neoprene, gomme sintetiche) di colore scuro, all'interno dei quali scorre direttamente il fluido termovettore, di norma acqua, che deve essere utilizzato dall'utenza finale.
Figura 15.5: Collettore solare piano non vetrato
Questi collettori sono prodotti e installati sotto forma di stuoie, anche di notevole lunghezza, sono economici e riavvolgibili al termine della stagione di utilizzo. Il loro funzionamento richiede una buona insolazione e temperature esterne elevate, per tale motivo sono pannelli ad uso esclusivamente estivo.
Questa tipologia di collettori può essere utilizzata per riscaldare l'acqua di piscine scoperte di piccole e grandi dimensioni, per la produzione di acqua calda sanitaria (35÷40 °C) di seconde case a
uso estivo (localizzate in zone calde e soleggiate), dei campeggi, degli alberghi stagionali e degli stabilimenti balneari.
15.2.3 COLLETTORI SOLARI SOTTOVUOTO
I collettori solari sottovuoto hanno un ottimo rendimento in tutti i mesi dell'anno e sono adatti ad essere installati anche in condizioni climatiche molto rigide; infatti, sono in grado di garantire un maggior apporto energetico anche in condizioni di basso irraggiamento o basse temperature esterne. Il principio di funzionamento del collettore solare sottovuoto è uguale a quello di un normale thermos. In questa tipologia di collettori, la captazione della radiazione solare viene affidata ad un sistema composto da una batteria di tubi cilindrici chiusi (vedi figura 15.6), realizzati con doppio vetro, a formare una camera nella quale viene realizzato il vuoto d'aria che permette di ottenere ottime capacità di coibentazione e di ridurre le dispersioni per convenzione.
Nei collettori sottovuoto, l'elemento assorbitore, costituito generalmente da rame o alluminio, e rivestito con materiale selettivo, viene inserito all'interno del tubo sottovuoto, ottenendo ottime caratteristiche di assorbimento e minime riflessioni di calore.
Per questa tipologia di collettori, l'assorbitore può essere piano o cilindrico e generalmente può raggiungere e superare i 120°C, ma grazie alla presenza del vuoto d'aria che riduce le dispersioni di calore verso l'esterno, il tubo di vetro rimane a temperatura ambiente. Questo accorgimento rende il vetro dei collettori solari sottovuoto meno fragile e più resistente.
Il vetro impiegato nel settore del solare è essenzialmente di due tipi: - vetro ai silicati di boro;
- vetro al sodio.
Al fine di migliorare le prestazioni del sistema, sotto i collettori solari sottovuoto vengono posizionati dei riflettori di forma parabolica CPC (concentratore parabolico statico) che permettono di sfruttare la radiazione solare in modo ottimale (vedi figura 15.7). Tali riflettori rinviano i raggi solari e li convogliano, da più angolazioni, verso i collettori con bassissime perdite di radiazione, consentendo così di ottenere una resa elevata, anche nelle ore pomeridiane e con esposizione non favorevole.
Figura 15.7: Collettore sottovuoto con concentratore parabolico statico (CPC)
I collettori solari a tubi sottovuoto attualmente in commercio si distinguono in: - collettori sottovuoto a tubi di calore (heat-pipe);
- collettori sottovuoto a circolazione diretta nel fluido termovettore.
Collettore sottovuoto a tubi di calore (heat-pipe)
Un collettore solare sottovuoto heat-pipe è realizzato con tubi di metallo termoconduttore chiuso (in genere rame o alluminio) che contiene al suo interno un fluido refrigerante come etanolo o acqua. Il resto del tubo è riempito del vapore del liquido, in modo che non siano presenti altri gas.
In questo tipo di collettore lo scambio termico avviene con un passaggio di fase (vedi figura 15.8).
Nei collettori sottovuoto possono essere individuati un estremo freddo, posto nella parte bassa, ed un estremo caldo posto nella parte a contatto con un sistema di raccolta di acqua fredda.
Il liquido refrigerante contenuto nell'estremo freddo riceve calore dal sole e una volta raggiunta la temperatura di ebollizione vaporizza e tende a salire fino ad arrivare all'estremo caldo. In questo estremo avviene il passaggio di fase: il fluido refrigerante cede calore all'acqua fredda contenuta nel sistema di raccolta e condensa. Una volta condensato e raffreddato il fluido refrigerante torna all'estremo freddo del tubo termoconduttore.
Il trasferimento di calore dall'estremo freddo all'estremo caldo è reso più veloce grazie alla presenza all'interno del tubo del vapore del liquido, poiché se ci fossero altri gas che non condensano potrebbero rallentare il movimento del vapore sopradescritto e di conseguenza renderebbero meno efficiente il trasferimento.
La principale caratteristica di questa tipologia di collettori è la temperatura di funzionamento All'interno dei tubi di calore si ha una pressione variabile in funzione della tecnologia, che può raggiungere 5x10-3 Pa. Questo accorgimento fa sì che la temperatura di ebollizione del fluido refrigerante avvenga a temperature molto basse. Ad esempio, se all'interno dei tubi di calore viene inserita l'acqua, il processo di cambiamento di fase inizierà a circa 25 °C.
I tubi vengono innestati in parallelo a baionetta nel sistema di raccolta d’acqua, in questo modo la rottura di uno di essi non pregiudica il sistema (vedi figura 15.9).
Figura 15.9: Spaccato di un collettore sottovuoto heat-pipe
L’acqua può raggiungere le utenze attraverso la normale gravità (i pannelli devono essere installati in alto rispetto all’impianto casalingo), oppure attraverso un sistema a circolazione forzata con una pompa elettrica.
Le pareti interne del tubo sono fatte in modo tale da favorire la risalita per capillarità del fluido refrigerante; ciò viene realizzato, ad esempio, applicando per sinterizzazione metallo in polvere sul tubo o ricavando una serie di scanalature parallele all'asse del tubo.
Collettori sottovuoto a circolazione diretta nel fluido termovettore
Nei collettori sottovuoto con circolazione diretta del fluido termovettore, in ogni tubo sottovuoto si trova un tubo ad U in rame, all'interno del quale scorre direttamente l'acqua che deve essere riscaldata (vedi figura 15.10).
Figura 15.10: Tubo Sydney (a sinistra) e sche ma di un collettore sottovuoto a circolazione diretta
Il principio di funzionamento (vedi figura 15.11) è il seguente: l'acqua fredda scorre nel tubo di discesa, si preriscalda grazie al calore ceduto dall'assorbitore selettivo e risale nell'altro tubo. I tubi isolati di raccolta di acqua calda e i tubi di distribuzione dell'acqua fredda sono contenuti nel cassetto di raccolta.
Figura 15.11: Principio di funzionamento di un collettore sottovuoto a circolazione diretta
15.2.4 COLLETTORI SOLARI AD ACCUMULO INTEGRATO
I collettori ad accumulo integrato sono costituiti da un unico elemento che sostituisce la piastra captante, la serpentina e l'accumulo esterno (vedi figura 15.12). Esternamente si presentano come un collettore solare piano vetrato, ma hanno la caratteristica di avere al loro interno delle tubazioni di diametro molto ampio, dell'ordine dei 10 cm, dove staziona l'acqua che verrà successivamente utilizzata dall'utenza.
All'interno dei collettori ad accumulo integrato, il contenuto di acqua oscilla tra 80÷100 l/m2 rispetto a 1÷2 l/m2 di fluido termovettore caratteristici dei dispositivi con accumulo esterno. Questo comporta un aumento del peso del collettore, che non può essere trascurato in fase di progettazione dell'impianto.
Questa tipologia di collettori è caratterizzata da perdite termiche non trascurabili, vista la quantità di acqua presente nel collettore, che non può essere isolato termicamente su tutti i suoi lati.
Figura 15.12: Collettore ad accumulo integrato
15.2.5 CURVA DI RENDIMENTO DEI COLLETTORI A CONFRONTO
Per comprendere alcuni concetti precedentemente esposti è utile riportare sul medesimo grafico la curva di efficienza istantanea, relativa a ciascuna tipologia di collettori solari (vedi figura 15.13).
Figura 15.13: Confronto tra le curve di efficienza istantanea
Osservando il grafico, si può osservare che a parità di temperatura di utilizzo del fluido termovettore, l'aumento della differenza di temperatura (ΔT*) tra l'assorbitore e l'aria esterna, comporta dei peggioramenti nella condizione di utilizzo del collettore.
Dal grafico è possibile individuare le seguenti differenze tra le varie tipologie di collettori studiati fino ad ora:
- il collettore piano vetrato, con superficie selettiva, ha una perfomance migliore del collettore piano realizzato con vetro singolo;
- il collettore piano non vetrato è in grado di assorbire una maggiore quantità di radiazione solare incidente, ma allo stesso tempo è il collettore la cui curva di efficienza cala bruscamente con il
diminuire della temperatura dell'aria esterna e della radiazione solare.
- il collettore solare a tubi sottovuoto è la tipologia costruttiva che garantisce un buon funzionamento anche in caso di condizioni esterne sfavorevoli, infatti è caratterizzato da una curva di efficienza più stabile.
15.3 PARAMETRI FONDAMENTALI DEI COLLETTORI SOLARI
La radiazione solare incidente sul collettore che viene effettivamente resa disponibile come calore nel fluido vettore dipende, principalmente, dalle caratteristiche ottiche della copertura trasparente e dall' inclinazione del sole rispetto al collettore.
I principali flussi termici (conduzione, irraggiamento e moti convettivi dell'aria all'interno del collettore), responsabili sia dell'effettivo riscaldamento del fluido termovettore che delle diverse perdite verso l'esterno, sono schematizzati in figura 15.14.
Figura 15.14: I principali flussi energetici nel collettore
L'entità dei flussi termici è legata al tipo di collettore e alle condizioni climatiche.
Osservando la figura 15.14 si può notare che la radiazione solare che attraversa la copertura trasparente tende ad essere riemessa verso l'esterno per irraggiamento.
Per limitare queste perdite, assumono un ruolo fondamentale, le proprietà ottiche della copertura trasparente: infatti, il vetro deve essere trasparente per la radiazione solare che colpisce la piastra captante, ma deve essere opaco alle radiazioni infrarosse che vengono emesse per il riscaldamento della piastra stessa.
Per quanto riguarda le perdite per conduzione, la scelta di un buon materiale isolante riesce a limitare, fino a renderle trascurabili, le perdite di energia verso la parte posteriore e le due parti laterali del collettore.
Spostando l'attenzione sulle perdite per convenzione, che si innescano nell'intercapedine d'aria tra l'assorbitore e la copertura trasparente, si può notare che la scelta di quest'ultima assume un ruolo fondamentale.
La radiazione solare incidente sul collettore, scalda l'assorbitore il quale cede calore all'aria presente nell'intercapedine. All'interno di quest'ultima si generano dei moti convettivi che tendono a far salire l'aria calda verso l'alto, la quale una volta raggiunta la copertura trasparente, cede parte del calore assorbito.
La copertura trasparente, non essendo realizzata con materiali termicamente isolanti, lascia che il calore fluisca verso l'ambiente con minore temperatura e quindi verso l'ambiente esterno.
Per limitare queste perdite, soprattutto nelle località caratterizzate da basse temperature, per lunghi periodi dell'anno, è possibile realizzare due tipi di copertura trasparente:
- a doppia lastra di vetro, dove l'intercapedine d'aria ferma tra le due lastre costituisce una efficace barriera alla fuga del calore;
- a superficie trasparente in policarbonato alveolare, caratterizzata dalla presenza di piccolissime intercapedini che riescono a limitare i moti convettivi dell'aria e di conseguenza, sono in grado di isolare la superficie esposta del collettore solare. Queste superfici sono leggere, maneggevoli e a basso costo; ma rispetto ad una superficie in vetro, le loro proprietà ottiche tendono a deteriorarsi nel tempo più velocemente. Per cui nel della vita utile del collettore solare, la cui copertura trasparente è realizzata con una superficie in policarbonato alveolare, si rende necessario la sostituzione di quest'ultima.
15.3.1 RENDIMENTO DEL COLLETTORE
Il rendimento di un collettore indica la percentuale di radiazione solare riflessa sulla superficie di apertura del collettore, che può essere trasformata in energia termica utile.
Il rendimento dipende dalla condizione di esercizio del collettore, mentre la modalità di misura è uguale per tutte le tipologie costruttive.
I parametri fondamentali per determinare la conduttività dei collettori sono i coefficienti di dispersione termica, k1 e k2, e il rendimento ottico, η0, i quali possono essere valutati utilizzando il
procedimento descritto nella norma europea EN 12975. Questi parametri devono essere indicati nei fogli dei dati tecnici dei collettori.
In tabella 15.1 sono riportati i parametri caratteristici di alcune tipologie costruttive più utilizzate.
Rendimento ottico Coefficiente di
dispersione termica k1
Coefficiente di
dispersione termica k2
% W/(m2K) W/(m2K2)
Collettore solare piano 80 4 0,1
Collettore piano con vetro
antiriflesso 84 4 0,1
Collettore solare a tubi
sottovuoto 80 1,5 0,005
Quando un collettore solare viene riscaldato dalla radiazione solare, cede una parte del calore per conduzione, per convenzione e per irraggiamento.
i coefficienti di dispersione termica k l'assorbitore e l'ambiente (indicata in K).
Il rendimento ottico può essere determinato utilizzando la seguente relazione:
dove:
- η è il rendimento del collettore - η0 è il rendimento ottico;
- k1 è il coefficiente di dispersione termica espresso in W/(m
- k2 è il coefficiente di dispersione termica espresso in W/(m
- ΔT è la differenza di temperatura espressa in K; - Eg è l'irraggiamento espresso in W/m
Dalla relazione 15.1 si può osservare che il
differenza tra la temperatura dell'aria esterna e la temperatura Quando questa differenza di temperatura
raggiunto il massimo rendimento; mentre all'aumentare
della temperatura di esercizio del collettore o alla diminuzione della temperatura dell'aria esterna, aumentano le dispersioni termiche e di conseguenza diminuisce il
Questi tre parametri, insieme al valore dell'irraggiamento E rendimento del collettore e la sua curva caratteristica esempio le curve caratteristiche di un collett
sottovuoto.
Figura 15
viene riscaldato dalla radiazione solare, cede una parte del calore per , per convenzione e per irraggiamento. Queste perdite possono essere calcolate mediante i coefficienti di dispersione termica k1 e k2 e la differenza di temperatura Δ
(indicata in K).
essere determinato utilizzando la seguente relazione:
η η k ∙ ∆T
E
k ∙ ∆T
E
il rendimento del collettore;
il coefficiente di dispersione termica espresso in W/(m2∙K); dispersione termica espresso in W/(m2∙K2); è la differenza di temperatura espressa in K;
è l'irraggiamento espresso in W/m2.
Dalla relazione 15.1 si può osservare che il rendimento di un collettore solare è legato alla differenza tra la temperatura dell'aria esterna e la temperatura degli assorbitori
Quando questa differenza di temperatura è nulla non si verificano dispersioni termiche e viene rendimento; mentre all'aumentare di questa differenza, dovuta all'aumento della temperatura di esercizio del collettore o alla diminuzione della temperatura dell'aria esterna, aumentano le dispersioni termiche e di conseguenza diminuisce il rendimento.
, insieme al valore dell'irraggiamento Eg sono sufficienti
a sua curva caratteristica. In figura 15.15 sono riportate a titolo di esempio le curve caratteristiche di un collettore solare piano e di un collettore solare a tubi
5.15: I parametri caratteristici dei diversi tipi di collettori
viene riscaldato dalla radiazione solare, cede una parte del calore per Queste perdite possono essere calcolate mediante e la differenza di temperatura ΔT che si crea tra
(15.1)
rendimento di un collettore solare è legato alla degli assorbitori dei collettori. è nulla non si verificano dispersioni termiche e viene , dovuta all'aumento della temperatura di esercizio del collettore o alla diminuzione della temperatura dell'aria esterna,
sono sufficienti per raffigurare il sono riportate a titolo di ore solare piano e di un collettore solare a tubi
15.3.2 TEMPERATURA DI STAGNAZIONE
La temperatura di stagnazione è un aspetto molto importante che deve essere preso in considerazione durante la fase di progettazione dell'impianto.
Il raggiungimento di tale temperatura si può verificare soprattutto nel periodo estivo, conseguentemente al fatto che un collettore sottoposto alla radiazione solare genera sempre calore indipendentemente dal fabbisogno in quel momento. Infatti, il fluido termovettore continua a trasferire calore dal collettore solare al serbatoio di accumulo, ma se nel sistema non avvengono prelievi del calore prodotto, l'impianto si disinserisce.
Una volta raggiunta questa situazione, l'assorbitore si riscalda con conseguente aumento delle temperature all'interno del collettore fino a quando l'energia termica dissipata nell'unità di tempo per convenzione, conduzione e irraggiamento non eguaglia il valore dell'efficienza ottica (η0).
Per tale motivo, la temperatura di stagnazione può essere definita come una temperatura di equilibrio, oltre il quale non può più salire.
A titolo di esempio, nei collettori solari piani la temperatura di stagnazione può raggiungere valori tra i 160°C e i 200°C, mentre nei collettori solari sottovuoto può raggiungere valori tra i 200°C e i 300°C, se dotati di riflettori si può arrivare ad una temperatura di stagnazione di 350°C.
Il fenomeno della stagnazione oltre ad un innalzamento delle temperature, comporta anche un aumento delle pressioni all'interno dell'impianto, per tale motivo i dispositivi di sicurezza vengono dimensionati in base a questa condizione di funzionamento.
In realtà, questi dispositivi e gli altri componenti dell'impianto vengono dimensionati per resistere al verificarsi occasionale di queste situazioni, ma se il funzionamento si ripete con una certa frequenza, si possono manifestare delle diminuzioni di efficienza o addirittura mal funzionamenti dell'impianto solare.
Il raggiungimento della temperatura di stagnazione, oltre al periodo estivo, si può verificare anche nelle seguenti situazioni:
- un blackout elettrico che arresta la pompa di circolazione e quindi impedisce la circolazione del fluido termovettore;
- nel periodo di montaggio;
- per ridotta presenza del fluido termovettore all'interno del circuito solare; - per periodi di inattività dell'impianto.
Per evitare il fenomeno della temperatura di stagnazione occorre:
- in fase progettazione, tenere in considerazione di tutti gli aspetti che possono portare al verificarsi di tale evento ed in particolare eseguire un corretto dimensionamento delle valvole di sicurezza e dei vasi di espansione;
- effettuare un corretto dimensionamento dei collettori solari, evitando il sovradimensionamento dell'impianto;
incorre al problema;
- eseguire una corretta manutenzione periodica dell'impianto;
- installare delle serrande di copertura oppure effettuare lo svuotamento dell'impianto, in particolare per il periodo estivo.
Attualmente, per ovviare al problema della temperatura stagnazione, ci sono stati nuovi progressi: è stato realizzato il primo collettore solare sottovuoto dotato di un sistema di oscuramento automatico, che controlla la temperatura del collettore e mantiene in perfetta efficienza l'irraggiamento solare termico per tutto il periodo di funzionamento.
15.3.3 RESA DEL COLLETTORE
La resa del collettore è una grandezza fondamentale per valutare l'efficienza di un impianto solare ed è data dal prodotto della potenza media (espressa in kW) per una corrispondente unità di tempo (espressa in ore, h).
In fase di progettazione, per ottenere una resa alta, occorre valutare in modo opportuno l'orientamento e l'inclinazione dei pannelli ed avere l'area circostante priva di ombreggiamenti. In relazione ad una giornata, utilizzando la resa riferita ad un metro quadrato di superficie di apertura del collettore è possibile dimensionare l'accumulo solare; mentre per il dimensionamento e la valutazione dell'efficienza dell'impianto solare si utilizza la resa specifica del collettore, ovvero la resa valutata nell'arco di un intero anno (espressa in kWh/anno).
15.3.4 QUOTA DI COPERTURA DELL'ENERGIA SOLARE
La quota di copertura solare, Qs, indica la percentuale di energia necessaria per l’utilizzo previsto,
che può essere coperta dall'impianto solare. Per la sua valutazione si può utilizzare la seguente relazione: Q Q − Q − Q Q = Q Q (15.2) dove:
- Qs è la quota di copertura solare;
- Qw è il fabbisogno di acqua calda sanitaria, espresso in KWh;
- Qrin è la resa de collettore solare, espresso in KWh.
Se si paragonano gli impianti solari si deve sempre prestare attenzione a quale tipo di calcolo sta alla base della quota di copertura solare data. Maggiore è la quota di copertura solare e tanto più è elevato il risparmio di energia convenzionale. Tale considerazione può portare il progettista a dimensionare l'impianto in modo da avere una quota di copertura solare più alta possibile. In realtà bisogna prestare attenzione, poiché la quota di copertura solare e la resa del collettore sono in relazione tra di loro. In particolare, più è alta la copertura solare tanto più è bassa la resa specifica
del collettore. Per tale motivo in fase di progettazione dell'impianto occorre raggiungere un buon compromesso tra i due parametri.
In Italia è consuetudine dimensionare le case monofamiliari al 65 ÷ 75% di copertura solare per la produzione d'acqua calda sanitaria, nei condomini al 50% ÷ 60%.
15.3.5 DENOMINAZIONE DELLE SUPERFICI
Per i collettori solari termici vengono utilizzati tre diversi dati come grandezze di riferimento per i dati di potenza o di resa. In letteratura però non è sempre indicato correttamente a quale superficie si sta facendo riferimento.
Ogni collettore è caratterizzato da tre diverse superfici: - superficie lorda;
- superficie di assorbimento; - superficie di apertura.
Superficie lorda
Sia per i collettori solari piani sia per i collettori a tubi sottovuoto, la superficie lorda si ricava dal prodotto della lunghezza per larghezza del pannello, misurate lungo le dimensioni esterne. La superficie lorda dei collettori è un parametro fondamentale per la valutazione della superficie del tetto necessaria per l'installazione dell'impianto.
Superficie di assorbimento
La superficie di assorbimento si riferisce esclusivamente alle dimensioni dell'assorbitore.
Nei collettori solari piani la superficie di assorbimento è data dal prodotto della lunghezza per la larghezza dell'assorbitore. Nel caso di collettori solari a tubi sottovuoto si possono avere due tipi di assorbitori: piani e cilindrici.
Nel primo caso la superficie di assorbimento corrisponderà al prodotto della lunghezza per la larghezza dell'assorbitore per il numero complessivo dei tubi; nel secondo caso la superficie di assorbimento corrisponderà al prodotto del perimetro del tubo per la lunghezza dell'assorbitore per il numero complessivo dei tubi.
Superficie di apertura
Per superficie di apertura si intende la proiezione della superficie del collettore attraverso cui può filtrare la radiazione solare.
Nel collettore solare piano la superficie di apertura è la parte visibile della lastra di vetro.
Nei collettori solari a tubi sottovuoto, senza superfici riflettenti, la superficie di apertura è definita come la somma delle sezioni longitudinali di tutti i tubi di vetro. Mentre nel caso di collettori solari a tubi sottovuoto,con superfici riflettenti, la proiezione di questa superficie speculare è definita come superficie di apertura.
15.4 SOLUZIONI DI INSTALLAZIONE DEI COLLETTORI SOLARI TERMICI
I collettori solari termici possono essere installati sui tetti inclinati, sui tetti piani e sulle facciate, sia negli edifici di nuova costruzione sia negli edifici interessati da interventi di ristrutturazione. In alcuni casi possono essere installati direttamente sul terreno. La figura 15.16 riassume le soluzioni di installazione dei collettori solari termici.
Figura 15.16: Soluzioni di installazione dei collettori solari termici
TETTO INCLINATO
Per impianti di piccole dimensioni, come nel caso di case unifamiliari, il montaggio dei collettori avviene sul tetto inclinato. In questo tipo si soluzione il collettore può essere posizionato sopra le tegole di copertura (montaggio sul tetto) oppure possono essere integrati nel tetto in sostituzione delle tegole (vedi figura 15.17).
La prima fase della progettazione riguarda la determinazione dello spazio necessario, sul tetto inclinato, per l'impianto dei collettori da installare.
Ad esempio, la distanza minima da rispettare dal bordo del tetto corrisponde al minimo valore ottenuto dalle seguenti relazioni.
a 2 ∙ h
10 (15.3)
a = b
10 (15.4)
In figura 15.18 sono riportate le dimensioni necessarie per stimare lo spazio necessario del tetto.
Figura 15.18: Spazio necessario sul tetto inclinato
Il passo successivo, ma non meno importante, riguarda la valutazione degli ombreggiamenti che deve essere fatta considerando un intervallo di tempo di circa 20 anni, corrispondente alla vita utile dell'impianto.
TETTO PIANO
Per impianti di grandi dimensioni è da preferire l'installazione dei collettori solari termici sui tetti piani; poiché questa soluzione permette di orientare i collettori verso sud e di inclinarli secondo l'angolo ottimale.
Anche in questo caso, la prima fase della progettazione riguarda la stima dello spazio disponibile del tetto piano.
La distanza minima da rispettare dal bordo del tetto può essere valutata con le relazioni 15.3 e 15.4. In figura 15.19 sono riportate le dimensioni necessarie per stabilire lo spazio disponibile del tetto. Sui tetti piani, qualora si rende necessario, i collettori solari possono essere montati su più file. Se si verifica questa situazione occorre determinare la distanza minima a cui devono essere fissati affinché non producano ombreggiamenti.
Il primo passo consiste nel determinare l'angolo della posizione del sole a mezzogiorno del 21 dicembre, a cui corrisponde la giornata più corta dell'anno. In Italia tale angolo, a seconda del grado di latitudine, è compreso tra 20°C (Bolzano) e 29,6°C (Ragusa).
Figura 15.19: Spazio necessario sul tetto piano
Una volta determinato questo angolo, è possibile determinare la distanza minima tra i collettori utilizzando la seguente relazione:
z h sin 180° α+ β # sin β (15.5) dove:
- z = distanza tra le file dei collettori; - h = altezza del collettore;
- α = angolo di inclinazione del collettore; - β = angolo della posizione del sole.
Figura 15.20: Distanza dei collettori solari sul tetto piano
FACCIATA
Sulle facciate possono essere installati tutti i tipi di collettori solari.
Questo tipo di montaggio però è soggetto ad approvazione da parte delle autorità comunale, espressa dalla Sovraintendenza ai Beni Ambientali.
Una facciata solare può essere considerata come una facciata in vetro di alta qualità. In funzione dell'inclinazione dei collettori solari possiamo distinguere:
- tettoie in vetro (angolo d'inclinazione superiore a 10°C rispetto alla verticale); - vetrate verticali (angolo d'inclinazione inferiore a 10°C rispetto alla verticale).
A differenza degli impianti con fissaggio per tetti piani, non si deve considerare la posizione massima del sole d'inverno, bensì quella in piena estate.
Le prime fasi della progettazione riguardano il controllo di fattibilità e la stima approssimativa della superficie di montaggio, in considerazione delle distanze necessarie dai bordi determinate mediante le seguenti relazioni: a 2 ∙ h 5 ; a = b 5 (15.6) a = 2 ∙ h 5 ; a = l 5 (15.7)
Le distanze minime da rispettare dal bordo della facciata (vedi figura 15.21) corrispondono ai minimi valori ottenuti dalle seguenti relazioni.
Figura 15.21: Spazio necessario sul tetto piano
Qualora i collettori solari vengono montati uno di seguito all'altro lungo la verticale, occorre determinare le distanze minime a cui devono essere fissati per evitare che producano ombreggiamenti (vedi figura 15.22).
LIBERI SUL TERRENO
La posa dei collettori solari termici sul terreno rappresenta la soluzione più semplice ed economica, consigliata se si dispone dello spazio necessario. Questa soluzione permette di scegliere i migliori angoli di inclinazione e di orientamento
