Un impianto solare termico è un sistema che trasforma l’Energia Solare in energia termica, cioè in calore. Questo calore può essere utilizzato negli usi quotidiani, come il riscaldamento dell’acqua per i servizi o il riscaldamento degli edifici.
I collettori solari termici
Il principale componente di un impianto solare termico è il collettore o pannello solare. Sappiamo bene che qualsiasi superficie esposta alla radiazione solare si riscalda, per il fenomeno spontaneo e facilmente verificabile di trasformazione della radiazione solare in energia termica. L’obiettivo del collettore solare è proprio quello di ottimizzare questa trasformazione, catturando, a parità di radiazione solare, più calore possibile.
Esistono diversi tipi di Collettore:
- Collettori Piani
- Collettori a tubi in sottovuoto
- Collettori a Concentrazione
Collettori solari piani
Il collettore solare piano aumenta le sue prestazioni grazie all’effetto serra che si realizza al suo interno. Infatti, la copertura trasparente (in genere vetro) posta davanti alla piastra assorbente permette il passaggio della luce (radiazione solare) ma diventa opaca al calore emesso dalla piastra, che così accumula calore.
La piastra assorbente, che è costruita con materiali buoni conduttori di calore (rame, alluminio, acciaio), viene trattata nella parte esposta con vernici speciali scure o, meglio ancora, con trattamenti superficiali cosiddetti “selettivi”, che contribuiscono ad aumentare ulteriormente le prestazioni (incremento della quantità di energia solare assorbita).
La piastra è dotata di una serie di canalizzazioni, all’interno delle quali scorre il fluido termovettore (normalmente una miscela di acqua e antigelo). La circolazione continua del fluido consente all’impianto di trasportare l’energia termica assorbita dal collettore solare alle utenze.
Uno strato di materiale isolante viene posto sul retro e ai lati del collettore, per diminuire le dispersioni termiche.
Collettori solari a tubi in sottovuoto
I collettori a tubi sottovuoto sono costituiti da un certo numero di tubi in vetro (sottovuoto), all’interno dei quali è collocato un assorbitore in rame, con rivestimento superficiale selettivo. Il vuoto creato tra l’assorbitore e la copertura trasparente di forma tubolare è importante, perché permette di aumentare il rendimento (soprattutto nei periodi freddi) riducendo le perdite termiche verso l’esterno per conduzione e convezione.
Collettori solari a concentrazione
I collettori a concentrazione, invece, utilizzano riflettori o lenti per concentrare la radiazione solare da un’area grande a una molto più piccola, creando così una zona ad alta temperatura.
Come funziona un impianto solare termico a circolazione forzata
La tecnologia del solare termico si distingue in “circolazione naturale” e “circolazione forzata”. Per brevità, ci limitiamo a descrivere la seconda, che presenta caratteristiche più interessanti.
Nell’impianto solare termico a circolazione forzata, il fluido termovettore che circola all’interno dei collettori solari trasferisce il calore assorbito a un serbatoio di accumulo. La circolazione del fluido è assicurata (“forzata”) da un’elettropompa, che viene attivata automaticamente dalla centralina solo nel caso in cui la temperatura del fluido nei collettori è maggiore di quella all’interno dell’accumulo. Questo per avere la certezza che l’impianto funzioni solo quando è in grado di fornire realmente energia termica all’utenza. Inoltre, in questo modo si evita che in mancanza di radiazione solare venga dissipata l’energia termica accumulata attraverso i collettori.
Poiché però la richiesta di energia termica rimane anche in assenza di radiazione solare, occorre prevedere nell’impianto due componenti aggiuntivi: il serbatoio di accumulo e il riscaldatore ausiliario (solitamente una caldaia di integrazione).
I serbatoi di accumulo hanno di solito una doppia serpentina. Mentre quella posizionata in basso è collegata al circuito solare (all’interno del quale circola una miscela di acqua con antigelo), quella posizionata in alto è collegata alla caldaia di integrazione. Se l’impianto solare non è in grado di scaldare l’acqua alla temperatura desiderata (tra 40°C e 45°C), il calore fornito dalla caldaia attraverso la serpentina superiore assicura la giusta integrazione.
Criteri di installazione dei collettori solari
Il principale vincolo per l’installazione degli impianti solari è costituito dalla superficie sulla quale collocare i collettori.
Se l’edificio ha una copertura a falde, viene preferita quella meglio esposta (Sud), con attenzione a verificare l’assenza di ombreggiamenti dovuti ad altri edifici, alberi, ecc.
L’orientamento migliore è Sud (azimuth = 0°) e l’inclinazione ottimale della superficie del collettore rispetto al piano orizzontale (angolo di tilt) è data dalla latitudine diminuita di 10°.
I collettori solari possono anche essere installati su coperture piane. In questo caso, viene realizzata un’apposita carpenteria metallica di sostegno e i collettori vengono montati in file parallele distanziate di quanto basta a evitare ombreggiamenti.
Il dimensionamento di un impianto solare termico
Occorre premettere che un impianto solare non può convertire tutta l’energia solare incidente sulla superficie dei collettori in calore utile. Si può stimare che il rendimento medio di un impianto a circolazione forzata sia intorno al 50%.
Dimensionare un impianto solare significa sostanzialmente determinare la superficie dei collettori solari da installare. Bisogna partire dai fabbisogni energetici. Normalmente, negli usi residenziali, il consumo medio di acqua calda per persona viene stimato in circa 50 litri/giorno. Il dimensionamento dell’impianto si basa sul rapporto tra l’energia necessaria per riscaldare l’acqua e l’energia erogata dall’impianto per metro quadro di superficie.
A titolo di esempio, in una regione del Centro Italia, con una disposizione ideale dei collettori solari (orientamento verso Sud e inclinazione di 30°) si può prevedere una superficie captante utile pari a 1 ogni 50 litri di consumo. Per una famiglia di 4 persone, con un consumo medio giornaliero di 4 x 50 = 200 litri/giorno, saranno pertanto necessari 200/50 = circa 4 di collettori solari.
Un impianto solare così dimensionato riuscirà a coprire il 50÷60% del fabbisogno medio annuo di energia. Garantirà una copertura quasi totale nei mesi estivi (durante i quali la caldaia sarà normalmente spenta), mentre in inverno funzionerà con una resa inferiore, preriscaldando l’acqua.
I valori di dimensionamento forniti sopra sono puramente esemplificativi. È sempre necessario dimensionare un impianto attraverso un calcolo analitico dettagliato.
L’efficienza di un collettore
L’efficienza del collettore solare è definita come il rapporto tra l’energia resa disponibile dal collettore e l’energia incidente sullo stesso.
I principali fattori che determinano l’efficienza di un collettore sono:
- caratteristiche tecnico-costruttive
- condizioni ambientali (temperatura esterna)
- irraggiamento solare
- condizioni di lavoro (temperatura media del fluido termovettore).
L’energia Solare
L’energia solare rappresenta la più importante fonte energetica rinnovabile. È stato calcolato che, in termini dimensionali, questa energia è circa 15.000 volte superiore al consumo energetico annuo di tutto il pianeta.
Non tutta l’energia prodotta dal Sole può però essere utilizzata.
In proposito occorre fare una piccola premessa. Il flusso di energia solare incidente su una superficie unitaria perpendicolare ai raggi solari (al di fuori dell’atmosfera) è definito “costante solare” e il suo valore è di circa 1.367 . La radiazione solare, attraversando l’atmosfera, viene in parte riflessa, in parte assorbita e in parte trasmessa. La somma della radiazione solare che raggiunge direttamente il suolo (radiazione diretta) e di quella che arriva al suolo perché diffusa dall’atmosfera (radiazione indiretta) è definita “radiazione totale”. Quest’ultima è proprio quella che ci interessa per ottenere la nostra energia termica e/o elettrica. Essa dipende dalla posizione geografica del luogo considerato e dal microclima locale.
I dispositivi utilizzati per la conversione termica dell’energia solare si chiamano “collettori”. Hanno una superficie scura che assorbe gran parte della radiazione incidente.
