PANNELLI SOLARI TERMICI 21 Maggio 2010 ITI L. da Vinci Ing. Alessia Soldarini

Introduzione Un impianto solare termico permette di trasformare direttamente l’energia solare incidente in energia termica, senza nessuna emissione inquinante e con il risparmio economico associato al mancato utilizzo di fonti energetiche tradizionali (energia elettrica o combustibili fossili). L’energia termica così prodotta viene raccolta in genere sotto forma di acqua calda. I principali componenti di un impianto solare sono: collettore solare come captatore di radiazione solare serbatorio di accumulo

Radiazione solare Lo sfruttamento dell’energia solare è principalmente correlato alla disponibilità della radiazione solare incidente al suolo nella località presa in considerazione. RADIAZIONE SOLARE INCIDENTE AL SUOLO = radiazione diretta + radiazione diffusa RADIAZIONE TOTALE RADIAZIONE RIFLESSA RADIAZIONE DIRETTA Poiché parte di questa energia viene assorbita o diffusa dall’atmosfera, quella che raggiunge la superficie terrestre è caratterizzata per il 90 % da lunghezza d’onda comprese tra 0,28 ed 1μm. Per effetto dell’assorbimento e della dispersione nell’atmosfera, le radiazioni solari perdono parte della propria energia, tant’è che da un valore perpendicolare di 1363 W/m2 al di sopra dell’atmosfera, nelle migliori condizioni, senza nubi, sulla terra e su superfici perpendicolari al sole, si possono rilevare valori massimi di radiazione solare di circa 1000 W/m2. La quota di radiazione che penetra nell’atmosfera e che di conseguenza raggiunge la superficie terrestre, viene denominata radiazione diretta, mentre quella che viene riflessa ed assorbita si definisce radiazione diffusa. La radiazione che raggiunge complessivamente la superficie terrestre viene denominata irraggiamento globale ed è il risultato della somma delle due radiazioni (diretta + diffusa). Più precisamente possiamo affermare che l’irraggiamento dovuto alla luce diffusa aumenta con l’aumentare delle nuvole, mentre diminuisce la componente diretta. In condizione di cielo molto coperto, il quantitativo di radiazione diffusa raggiungibile, può essere quantificato approssimativamente in 150 W/m2 che, logicamente, riduce enormemente le prestazioni dell’impianto. RADIAZIONE DIFFUSA

Caratteristiche geografiche L’apporto solare su una superficie dipende inoltre da caratteristiche geografiche ed ambientali: LATITUDINE STAGIONE Nelle località dove i raggi solari arrivano con un inclinazione prossima ai 90°, l’irraggiamento solare raggiunge valori molto elevati. Aumentando la latitudine e di conseguenza diminuendo l’angolo di incidenza dei raggi solari, l’energia sfruttabile naturalmente diminuisce. Non dimentichiamo, inoltre, che in prossimità dell’equatore la radiazione media mensile è la stessa durante tutto l’arco dell’anno, mentre nelle latitudini superiori la stagionalità incide moltissimo, rendendo l’energia globale irradiata enormemente superiore nel periodo estivo. Per dare dei valori alla differenza di energia che il sole può irradiare a diverse latitudini, sulla superficie terrestre, possiamo dire che: per latitudini centrali (vedi Italia del Nord), esso irraggia per un valore di energia pari a 100 litri di petrolio per m2 anno; per zone con latitudini inferiori, come quelle desertiche, il sole arriva ad irradiare una energia pari a quella prodotta da un quantitativo di petrolio di 230 lt. Essendo l’Italia una nazione sviluppata geograficamente in “verticale”, con latitudini che vanno dai 37° di Agrigento a i 47° di Trento, risente quindi moltissimo di questa differenza di distribuzione di radiazione solare globale, partendo da valori di 1200 kWh/m2 in Val d’Aosta fino ad arrivare a 1700 kWh/m2 in Sicilia. A causa dell’inclinazione dell’asse terrestre la radiazione solare sulla superficie della terra varia con la latitudine. Aumentando la latitudine diminuisce l’angolo di incidenza dei raggi solari e quindi l’energia sfruttabile. Il movimento di rivoluzione della terra intorno al sole determina la stagionalità annuale. Il movimento di rotazione della terra su se stessa determina il movimento apparente del sole che ogni giorno descrive degli “archi” che partono da est e terminano a ovest.

Modalità d’installazione INCLINAZIONE: l’angolo che si forma tra il piano orizzontale e la proiezione del pannello. La scelta del valore dell’angolo è legata al principale utilizzo che se ne intende fare. ORIENTAMENTO: indica la deviazione del piano del pannello solare dalla direzione cardinale Sud la valutazione fondamentale da fare, prima della scelta dell’inclinazione del collettore, è legata al principale utilizzo che si intende fare dello stesso. Se l’utilizzo del sistema è verosimilmente costante nell’arco dell’anno (fig. B) è corretto effettuare un’inclinazione pari alla latitudine del luogo. Se l’utilizzo è prettamente invernale (sistema utilizzato per un riscaldamento di ambienti fig. A) l’inclinazione deve essere aumentata di 15° per sfruttare maggiormente l’irraggiamento solare nei mesi in cui il sole è prossimo all’orizzonte. Infine, se il pannello è diretto ad un utilizzo unicamente estivo devo diminuire l’inclinazione di 15° (fig. C). Esposizione Sud Esposizione Ovest

Classificazione COLLETTORI VETRATI PIANI COLLETTORI A TUBI SOTTOVUOTO COLLETTORI SCOPERTI TIPOLOGIA DI PANNELLO NATURALE FORZATA Lo schema sottostante evidenzia come per i pannelli solari tradizionali, diventa difficile percepire i raggi solari quando questi non sono perfettamente perpendicolari al pannello, mentre i pannelli solari tubolari sottovuoto,  riescono a captare i raggi solari con più facilità. CIRCOLAZIONE

COLLETTORE DI COLLEGAMENTO Pannelli solari termici piani VETRO DI CHIUSURA PIASTRA CAPTANTE TUBI SCAMBIATORI Il captatore: È composto da una piastra in rame altamente selettivo, sulla quale sono saldati i tubi capillari in rame, a loro volta collegati ai collettori di mandata e ritorno del fluido termovettore. La piastra captante così composta viene trattata con vernici selettive di colore nero opaco, per ottimizzare la captazione solare. Il principio di captazione dei collettori sottovuoto è analogo a quello dei collettori piani. Il vetro di copertura: È posto al di sopra del sistema captante, ha funzioni di protezione del sistema contro gli agenti naturali e di innalzamento dell’efficienza del sistema. La lastra ha uno spessore di 3 o 4 mm per resistere alla grandine e viene fissato al telaio con delle guarnizioni resistenti alle radiazioni solari che garantiscono l’impermeabilità del pannello. Il vetro inoltre evita le dispersioni per convezione, cioè impedisce alle correnti d’aria di lambire la piastra assorbente e sottrarre calore con conseguente calo della prestazione energetica. Come precedentemente spiegato la lastra di vetro crea l’effetto serra limitando al massimo le perdite per riflessione della piastra. Per ottimizzare tale fenomeno si usano dei vetri antiriflesso altamente trasparenti per onde da 1 a 3 mm ed opachi per lunghezze superiori. L’isolante Nei collettori piani del materiale ad alto grado di isolamento termico viene posto al di sotto dell’assorbitore al fine di ridurre al minimo le perdite dalla parte posteriore del pannello. Poiché le temperature del captatore, a stagnazione, possono raggiungere i 200°C si prediligono isolamenti in fibre minerali (lana di roccia) che garantiscono un’ottima prestazione e non si deformano alle alte temperature. I pannelli di qualità superiore sono oggi isolati con due strati di isolanti , il primo in fibra minerale, il secondo in poliuretano. Per i collettori sottovuoto l’isolamento è dato dalla camera sottovuotocreata tra i due vetri che compongono il tubo e ad oggi rappresenta uno dei sistemi più efficaci. MATERASSINO ISOLANTE COLLETTORE DI COLLEGAMENTO VASCA DI CONTENIMENTO

Pannelli solari termici piani La radiazione solare attraversa la lastra di vetro e viene assorbita dall’assorbitore che la converte in calore. Differenza tra radiazione diretta e diffusa. Quando il cielo è coperto si ha prevalenza di radiazione diffusa, quando è sereno abbiamo radiazione diretta. Solo una piccola parte viene riflessa tra l’assorbitore e il vetro, la cui funzione è proprio quella di ostacolare la fuoriuscita delle radiazioni. Il fluido da riscaldare scorre nelle serpentine all’interno del pannello.

INTERCAPEDINE SOTTOVUOTO RIVESTIMENTO SELETTIVO Pannelli solari termici sottovuoto RIFLETTORE VETRO ESTERNO INTERCAPEDINE SOTTOVUOTO RIVESTIMENTO SELETTIVO TIPOLOGIA A FLUSSO DIRETTO TIPOLOGIA A TUBO DI CALORE Il fluido proveniente dalla tubazione primaria scorre direttamente in ciascun tubo di vetro: raggiunge la base del tubo e risale riscaldandosi durante il tragitto. Il tubo di calore è formato da un unico condotto in cui è presente liquido a basso punto di ebollizione. Il vapore che si sviluppa a seguito del riscaldamento del liquido, sale verso l’alto fino all’estremità superiore dove cede calore al fluido della tubazione principale. Così raffreddato ritorna verso il basso. La tecnologia dei tubi sottovuoto, utilizzata nel pannello solare, adotta delle Architetture costruttive che limitano notevolmente le dispersioni termiche ed esaltano le capacità di captazione della radiazione solare. Ne consegue un maggiore immagazzinamento di energia termica anche in condizioni ambientali sfavorevoli con efficienze complessive sensibilmente più elevate. L'utilizzo del tubo sottovuoto racchiude in se importanti concetti : • consente infatti una notevole semplificazione dal punto di vista costruttivo eliminando numerosi componenti strutturali fonti di dispersioni termiche; • concentrando in un unico elemento le principali funzioni di captazione della radiazione solare e di trasmissione della stessa agli elementi di trasporto del calore, si ha una migliore resistenza meccanica in quanto meno superficie è sottoposta allo forza del vento, ma soprattutto termico; • la forma tubolare, rispetto a quella piana, garantisce che i raggi solari incidano la superficie del tubo praticamente sempre in modo perpendicolare, minimizzando in questo modo le perdite per riflessione e massimizzando la quantità di calore assorbita; • realizza un effetto serra, in quanto permette il passaggio della radiazione solare, caratterizzata da piccole lunghezze d'onda mentre risulta essere opaco alla radiazione emessa dall'assorbitore caratterizzata da lunghezze d'onda maggiori. Ogni tubo sottovuoto è formato da due tubi di vetro coassiali: uno esterno e uno interno Il tubo esterno è in vetro borosilicato trasparente, estremamente duro che consente al collettore solare di resistere alla grandine fino a 25 mm di diametro. Nella parte inferiore del tubo viene depositato uno strato di bario, color argento, che indica la permanenza del vuoto. Il tubo interno è realizzato sempre con vetro borosilicato, ma viene ricoperto con uno speciale rivestimento selettivo (AI-N\AI) che possiede eccellenti caratteristiche di assorbimento e bassa emissione nello spettro infrarosso. Nell'intercapedine tra i due tubi, l'aria viene eliminata per formare il vuoto (da qui il nome di " tubo sottovuoto " ) che permette di eliminare la perdita di calore conduttivo e convettivo e di garantire protezione e durata all'assorbitore. Durante il processo produttivo si crea ad una estremità del tubo sottovuoto uno strato argentato di bario che assicura la permanenza del sottovuoto. La comparsa di un alone bianco sul fondo indica la perdita del sottovuoto. All'interno del tubo sottovuoto il trasporto di calore tra l'assorbitore e il fluido d'impianto avviene tramite l'utilizzo di un "Heat Pipe", letteralmente tubo di calore, che sfrutta il fenomeno dell'evaporazione e condensazione di un liquido basso bollente non tossico. Questo liquido ha la proprietà di evaporare e bollire ad una temperatura molto bassa. All'interno del tubo, il liquido, inizia ad evaporare a circa 25°C salendo verso il bulbo dove trova una temperatura di parete più bassa e inizia a condensare. Durante l'evaporazione il gas accumula un'elevata quantità di energia che rilascia in fase di condensazione: all'interno del tubo si crea una condizione di equilibrio dinamico liquidovapore con un continuo trasferimento di calore tra la zona di assorbimento solare e lo scambiatore nel collettore dove il calore viene ceduto al circuito. L'Heat Pipe è un particolare dispositivo, complesso nella realizzazione, ma molto semplice, robusto e duraturo nell'utilizzo: funzionerà moltissimi anni senza alcun bisogno di manutenzione. Il tubo sottovuoto unito alla tecnologia Heat-Pipe, è un sistema efficace, rapido, che non presenta problemi di corrosione, né di manutenzione: è il giusto connubio per ottenere degli ottimi risultati anche nella stagione invernale. SOTTOVUOTO: unico condotto con liquido a basso punto di ebollizione ( alcool o acqua se l’interno del condotto è debitamente pressurizzato). L’evaporazione può avvenire a partire dai 25 °c.

Pannelli solari termici sottovuoto I pannelli solari sottovuoto captano oltre alla radiazione solare diretta anche quella diffusa. Visto la maggiore resa richiedono una minore superficie espositiva rispetto ai piani. Sono capaci di trattenere il calore accumulato anche in condizioni atmosferiche molto rigide. Posso essere utilizzati anche in zone con insolazione molto basse. In questa tipologia di collettori non si verificano perdite per convezione e conduzione (l’aria infatti è il miglior isolante) e pertanto il rendimento è superiore.

Circolazione naturale È una circolazione che avviene senza aiuto di circolatori elettrici. Il fluido vettore riscaldandosi all’interno dei pannelli diventa più leggero del fluido contenuto nel serbatoio. Naturalmente affinché una simile circolazione possa avvenire i serbatoi di accumulo devono essere posti più in alto dei pannelli. La circolazione naturale, rispetto a quella forzata, realizza uno scambio meno rapido e quindi meno efficace di energia termica con un minor rendimento complessivo. Inoltre, essendo il serbatoio posto all'esterno, vi è una elevata dissipazione termica del calore raccolto, per cui, cessata l'azione del sole, il contenuto si raffredda molto prnomiima che negli impianti a circolazione forzata nei quali il serbatoio è all'interno dell'abitazione. La tecnologia della circolazione naturale, è economica nei costi di gestione in quanto non esiste consumo elettrico dovuto alla pompa e non richiede sistemi elettronici di controllo; il principale limite di questi impianti consiste proprio nel dover installare i serbatoi più in alto dei collettori. Il serbatoio è esposto alle basse temperature invernali e ciò influisce negativamente sul rendimento del pannello. La semplicità di tale impianto lo rende economico.

Circolazione forzata È una circolazione che avviene con l’aiuto di circolatori, attivati solo quando nei pannelli il fluido vettore si trova ad una temperatura più elevata rispetto a quella dell’acqua contenuta nei serbatoi d’accumulo. Non ci sono vincoli per l’ubicazione dei serbatoi. Organi di controllo permettono di regolare la portata per migliorare lo scambio termico. Negli impianti a circolazione forzata, lo scambio tra captatore e sistema di accumulo è garantito da organi meccanici per la circolazione del fluido vettore e di regolazione e controllo per le gestione delle portate e delle temperature del fluido stesso. Per regolare la circolazione ci si avvale di sensori che confrontano la temperatura del fluido vettore nel collettore con quella nel serbatoio di accumulo, al fine di evitare un processo opposto per il quale il calore viene sottratto all’utente e dissipato dal pannello solare. In tali impianti la possibilità di regolare la velocità del fluido vettore secondo i parametri di progetto, permette un maggiore scambio termico e quindi il rendimento del pannello è leggermente superiore ad un sistema a circolazione naturale. Per questo motivo i collettori a circolazione forzata vengono preferiti per installazioni pensate per erogare il servizio lungo tutto l’arco dell’anno, portando dei benefici in termini di efficienza soprattutto nei mesi meno caldi. Il circuito idraulico collegato al pannello è chiuso e separato da quello dell'acqua che riscalda, attraverso una serpentina nel serbatoio come scambiatore di calore. Le serpentine possono anche essere due per integrare la produzione di acqua calda sanitaria con un generatore di calore supplementare(accumulatori a doppio serpentino). In alcune applicazioni, con l’ausilio di un accumulatore di calore denominato “Puffer”, l’acqua calda fornita dai pannelli a circolazione forzata, può essere utilizzato per dare un contributo al riscaldamento degli ambienti.

Dimensionamento Irraggiamento medio nella località dell’installazione Fabbisogno di acqua calda sanitaria Fabbisogno termico Superficie necessaria di collettori Integrazione con generatore tradizionale Grado di copertura solare convenzione. Le perdite per irraggiamento della lastra assorbente (covenzione e conduzione), variano, in funzione: temperatura media della lastra assorbente, temperatura dell'aria esterna, velocità del vento, numero delle lastre trasparenti, tipo e quantità d'isolamento. Il rendimento diminuisce all'aumentare della temperatura del fluido e al diminuire della temperatura esterna, mentre cresce al crescere della radiazione incidente. Il valore massimo di rendimento (h =1) si ottiene per Dt = 0. Schema impiantistico Analisi dei costi

Irraggiamento solare H P.O. Le considerazioni riguardanti l’irraggiamento solare permettono di determinare la radiazione incidente sull’edificio e quindi l’apporto di calore per poter dimensionare i sistemi solari. Posizione geografica Località Borgomanero Latitudine 45°44’ Longitudine 8°62’ Altitudine 260 m s. l. m. Irradiazione solare mensile sul piano orizzontale convenzione. Le perdite per irraggiamento della lastra assorbente (covenzione e conduzione), variano, in funzione: temperatura media della lastra assorbente, temperatura dell'aria esterna, velocità del vento, numero delle lastre trasparenti, tipo e quantità d'isolamento. Il rendimento diminuisce all'aumentare della temperatura del fluido e al diminuire della temperatura esterna, mentre cresce al crescere della radiazione incidente. Il valore massimo di rendimento (h =1) si ottiene per Dt = 0. Normativa UNI 10349 Valori giornalieri medi mensili dell’irradiazione solare su piano orizzontale in relazione alla posizione geografica (MJ/m2). Gen Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic 1.44 2.06 3.17 4.69 5.06 6.11 6.44 5.08 3.97 2.53 1.64 1.31 H P.O.

COEFFICIENTE DI CONVERSIONE orientamento (= 15° est) Irradiazione solare sul piano del pannello Dall’irraggiamento medio mensile su piano orizzontale bisogna determinare l’irraggiamento sul piano del pannello che è funzione dell’inclinazione del pannello rispetto alla superficie orizzontale e dell’orientamento rispetto al sud geografico.. Irradiazione solare sul piano del pannello COEFFICIENTE DI CONVERSIONE inclinazione ( = 20°) H P.P. = H P.O. x RD orientamento (= 15° est)  convenzione. Le perdite per irraggiamento della lastra assorbente (covenzione e conduzione), variano, in funzione: temperatura media della lastra assorbente, temperatura dell'aria esterna, velocità del vento, numero delle lastre trasparenti, tipo e quantità d'isolamento. Il rendimento diminuisce all'aumentare della temperatura del fluido e al diminuire della temperatura esterna, mentre cresce al crescere della radiazione incidente. Il valore massimo di rendimento (h =1) si ottiene per Dt = 0. N S  IRRADIAZIONE SUL PIANO ORIZZONTALE IRRADIAZIONE SUL PIANO DEL PANNELLO

CAPACITA’ MINIMA BOLLITORE Fabbisogno di acqua calda sanitaria Un indicazione sul fabbisogno medio giornaliero di acqua calda sanitaria è data dal numero di persone che abitano l’appartamento e dal livello di comfort dell’abitazione. Utenza Litri/persona Comfort basso 50 Comfort medio 70 Comfort alto 90 CAPACITA’ MINIMA BOLLITORE Fabbisogno giornaliero 4 persone = 200 litri I bollitori hanno generalmente capacità standard convenzione. Le perdite per irraggiamento della lastra assorbente (covenzione e conduzione), variano, in funzione: temperatura media della lastra assorbente, temperatura dell'aria esterna, velocità del vento, numero delle lastre trasparenti, tipo e quantità d'isolamento. Il rendimento diminuisce all'aumentare della temperatura del fluido e al diminuire della temperatura esterna, mentre cresce al crescere della radiazione incidente. Il valore massimo di rendimento (h =1) si ottiene per Dt = 0. 300 litri Si calcola il fabbisogno termico per assicurare una copertura del 100% della quantità di acqua sanitaria richiesta. Fabbisogno termico E = mV x Vp x cs x (t-Ta) E = 10 kWh/giorno E = 300 kWh/mese Quantità di calore necessaria per scaldare 300 litri di acqua dalla temperatura T1 a T2.

N° 2 PANNELLI DA INSTALLARE Superficie pannelli solari La superficie utile di pannelli solari viene calcolata come rapporto tra il calore necessario per riscaldare il fabbisogno di acqua calda sanitaria e il calore utile captato dal pannello solare. Energia termica necessaria Superficie necessaria = Calore utile captato dal pannello solare 300 kWh/mese Sn = Irraggiamento mensile P.P. X  Superficie pannello circa 2.2 m2 SUPERFICIE INSTALLATA 4,6 m2 N° 2 PANNELLI DA INSTALLARE

Grado di copertura solare Questo indice di valutazione per un sistema solare termico descrive la quota solare prodotta rispetto al consumo energetico totale. ENERGIA DA INTEGRARE CON GENERATORE CONVENZIONALE convenzione. Le perdite per irraggiamento della lastra assorbente (covenzione e conduzione), variano, in funzione: temperatura media della lastra assorbente, temperatura dell'aria esterna, velocità del vento, numero delle lastre trasparenti, tipo e quantità d'isolamento. Il rendimento diminuisce all'aumentare della temperatura del fluido e al diminuire della temperatura esterna, mentre cresce al crescere della radiazione incidente. Il valore massimo di rendimento (h =1) si ottiene per Dt = 0. ENERGIA SUPERFLUA

Schema impiantistico CENTRALINA DI REGOLAZIONE ORGANI DI SICUREZZA E REGOLAZIONE DELL’IMPIANTO SOLARE

Analisi dei costi 5% 15% 55% 25% 4000 € 100 € La maggior parte del costo è dovuta all’acquisto dei materiali di cui i collettori rappresentano la percentuale più alta. SVILUPPO PROGETTO 5% COLLEGAMENTO IMPIANTO ESISTENTE 15% 55% 25% COSTI Fornitura impianto 2200 € Installazione 1000 € Collegamento impianto 600 € Sviluppo progetto 200 € INSTALLAZIONE FORNITURA IMPIANTO COSTO TOTALE IMPIANTO 4000 € Costo annuo di manutenzione: normalmente nelle analisi economiche si stima in circa il 2,5% del costo d’impianto. In tale stima sono compresi anche gli eventuali costi di manutenzione straordinaria. COSTO MANUTENZIONE BIENNALE 100 €

Integrazione da caldaia Produzione pannelli solari Analisi produzione solare anno 2009 Dati ricavati dall’impianto solare installato presso il Centro Ricerche Caleffi. Il sistema è costituito da 2 pannelli piani collegati all’accumulo con circolazione forzata. Integrazione da caldaia Surplus Produzione pannelli solari

Costi Metano ed emissione di CO2 Il consumo annuo stimato di combustibile è pari a 362 m3 di metano che equivalgono ad una spesa di circa 260 €. 88 m3 metano consumati 62 € spesi 275 m3 metano risparmiati 195 € risparmiati Combustione di 1 m3 di METANO 1,9 kg di CO2 Quantità di anidride carbonica NON immessa in atmosfera 522 kg di CO2 /anno

Conclusioni Negli ultimi anni molti paesi europei hanno intensificato le loro attività nel settore della tecnologia solare introducendo normative ecologiche, programmi di sostegno ed incentivi statali. Nonostante l’Italia sia uno dei paesi europei con il maggior potenziale per il solare termico sfrutta solo in minima parte la grande disponibilità. Negli ultimi anni l’incremento vertiginoso del petrolio e la crescente instabilità politico-economica mondiale hanno spinto l’opinione pubblica verso la consapevolezza dell’importanza dell’indipendenza economica. Alcune stime prevedono un aumento degli investimenti proprio sul mercato del solare termico. Questi ambiziosi obiettivi potranno essere raggiunti non solo attraverso un programma di incentivazione del mercato ma soprattutto grazie a campagne d’informazione che contribuiscono in maniera significativa allo sviluppo nazionale.

Vi ringrazio per l’attenzione