Indice degli argomenti
L'energia solare Radiazione estinta Radiazione netta Energia utile Principi di funzionamento Circolazione naturale Circolazione forzata I collettori o Pannelli solari Collettori piani Collettori sottovuoto Collettori a concentrazione
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Il sole: la principale fonte di energia

radiazioni solari il sole è la principale fonte di energia della Terra, grazie alla quale si sviluppa e persiste la vita sul nostro pianeta. Questa energia viene trasmessa da un fascio di luce detto radiazione solare che è energia elettromagnetica scaturita dai processi di fusione dell'idrogeno contenuto nel sole.

La quantità di energia che fluisce verso il pianeta è espressa dalla costante solare, definita come la quantità di energia captata in un secondo, nello spazio fuori dall'atmosfera, da una superficie di un metro quadrato, disposta perpendicolarmente alla direzione dei raggi e alla distanza media della terra dal sole. Ha un valore pari a 1353 Watt/m2. (In realtà è una costante relativa che andrebbe ricalcolata in base alla distanza effettiva dal sole e in funzione di variazioni significative dell'attività solare).

Le radiazioni solari vanno poi scomposte in due componenti:

Radiazione estinta

È quella componente che non va ad incidere sulla superficie terrestre ed è costituita da:

Radiazione netta

Quindi circa il 50% delle radiazioni solari giungono al suolo terrestre, e possono essere così scomposte:

Energia utile

In definitiva i raggi ipoteticamente utilizzabili come fonte di energia sono pari ad 1/4 della radiazione solare, ma in realtà questo valore varia in base alla stagione per via della distanza sole/terra e in base alla latitudine della superficie irraidata. Se assumiamo ipoteticamente di prendere come valore medio una potenza radiante di 200 watt/m2 ci rendiamo conto che, ogni secondo, la quantità di energia disponibile è enorme. Infatti se ogni metro quadrato disponibile fosse utilizzato in tal senso otterremo valori pari a 10000 volte la quantità di energia utilizzata dall'umanità.

Partendo da tali considerazioni possiamo intuire quali siano le potenzialità offerte dall'energia solare, ancor più se si considerano i vantaggi ambientali conseguenti alla riduzione dei gas serra e di elementi inquinanti, argomenti questi che necessitano di una trattazione separata.

Principi di funzionamento del solare termico

Le potenzialità offerte dall'energia solare ci spingono a evolverci verso metodi efficaci per sfruttarle e uno di questi è costituito dai sistemi a solare termico.

schema solare termico Con solare termico si intende indicare la tecnologia sviluppata al fine di sfruttare le radiazioni solari per produrre energia termica utilizzabile per aumentare la temperatura di un fluido termovettore che può essere utilizzato per il riscaldamento di ambienti o per la produzione di acqua calda sanitaria.

Il principio di funzionamento è molto semplice: tramite un sitema di trasduzione, detto collettore, le radiazioni solari vengono catturate e trasdotte in energia termica che viene trasferita al fluido termovettore innalzandone la temperatura. Il fluido riscaldato viene convogliato in un accumulatore che permetterà di averre una riserva di acqua calda. Nella maggiorparte dei casi l'accumulatore funziona anche da bollitore che garantisce la presenza di acqua calda anche quando l'energia solare è insufficiente a produrla. In fine il fluido termovettore viene posto in circolazione nel circuito di diffusione in modo da sfruttarlo per il riscaldamento di ambienti o per la produzione di acqua calda sanitaria.

I sistemi a solare termico possono essere suddivisi in due cattegorie principali:

Circolazione naturale

circolazione naturale In questi sistemi il fluido termovettore viene messo in circolazione sfruttando i principi della temodinamica secondo i quali in un fluido riscaldato diminuisce la densità, aumenta il volume e le molecole più leggere fluiscono verso l'alto provocando, appunto, la circolazione naturale del fluido stesso. Per sfruttare tale fenomeno è necessario che il serbatoio di accumulo sia posizionato più in alto rispetto al pannello collettore e la distanza deve essere minima in modo da ridurre le dispersioni termiche.

I sistemi a circolazione naturale sono molto semplici, richiedono scarsa manutenzione e possono essere realizzati impiegando dei pannelli solari con basse perdite di carico. Nella maggiorperte dei casi l'accumulatore, il collettore e il restante sistema idraulico sono assemblati in un'unica struttura compatta di facile installazione.

circolazione forzata

Circolazione forzata

Nei sistemi a circolazione forzata il flusso del fluido termovettore avviene tramite una spinta meccanica esterma fornita da una pompa detta circolatore. I parametri di controllo del sistema, come: temperatura e pressione, vengono gestiti da una centralina che, in base al risultato dell'elaborazione dei dati, attiva o disattiva il circolatore e i vari apparati di sicurezza, detrminando così il flusso del termovettore.

L'applicazione tipica della circolazione forzata è, oltre alla produzione di acqua calda per uso sanitario nei casi in cui la circolazione naturale non è applicabile, il riscaldamento di ambiente tramite sistemi a bassa temperatura, come i sistemi a pavimento radiante, il mantenimento in temperatura dell'acqua di piscina, i condomini e il settore industriale.

I collettori o Pannelli solari

I collettori sono il cuore di un sistema a solare termico. Essi hanno il compito di catturare le radiazioni solari e di trasformarle in calore mediante quella che viene detta conversione fototermica. L'energia termica viene poi trasmesa al fluido termovettore provocandone l'innalzamento della temperatura.

Vi sono diverse tecnologie per la costruzione dei collettori, in linea di massima sono costituiti da:

In base alla tecnologia impiegata possiamo distinguere le seguenti tipologie principali:

collettore piano

Collettori piani

La nomenclatura sta a indicare essenzialmente la struttura dell'elemento, sviluppata in stratti contigui di superficie piane. Si distinguono in:

Collettori sottovuoto

collettore evacuato Gli elementi captanti sono costituiti da tubi all'interno dei quali viene creato il vuoto. Il calore creatosi all'interno del tubo viene ceduto al fluido termovettore tramite appositi accoppiatori termoconduttori (ad esempio lamelle di rame). Li distinguiamo in:

Collettori evacuati: in cui il fluido termovettore circola direttamente all'interno del tubo sottovuoto. Questi pannelli possono essere disposti con un qualsiasi angolo di inclinazione, fatto che li rende adattabili a diverse situazioni.

collettore heatpipe Collettori heatpipe: o a tubo di calore, in questo caso il termovettore circola in un serbatoio posto a monte del tubo. Lo scambio termico avviene grazie ad un bulbo emettitore che fa perte di un tubo interno in cui avviene la trasduzione fototermica. Il tubo più interno contiene un fluido ad elevata conduttività termica che, riscaldato, evapora trasportando il calore verso il bulbo e raffreddandosi precipita in fondo al tubo. Questi pannelli devono essere disposti con un'inclinazione minima di 25°, in modo che il calore prodotto si diffonda verso l'alto e vada a surriscaldare maggiormente la zona in prossimità del bulbo, ottimizzando la resa del sistema.

 

Collettori a concentrazione

I collettori solari a concentrazione hanno una struttura realizzata in modo tale da concentrare l'energia in un determinato punto detto fuoco. La concentrazione dell'energia solare consente di raggiungere elevate temperature, dai 100 ai 1000° C a seconda del sistema utilizzato, pertanto vengono impiegati in centrali termiche o in processi industriali specifici. Le elevate temperature impediscono l'impiego di fluidi termovettori con basso punto di ebollizione, come l'acqua. In questi casi è necessario utilizzare un fluido diatermico con caratteristiche specifiche. Sono maggiormente efficaci se vengono irradiati da luce diretta, pertanto sono dotati di un sistema elettromeccanico per l'orientamento trasversale (orizzontale) e longitudinale (verticale) che segue la posizione del sole ad intervalli stagionali, giornalieri o in tempo reale, a seconda delle necessità.

collettori a concentrazione Vediamo alcuni modelli di colettori a concentrazione

A) Concentratori piani: il più semplice collettore concentrante può essere realizzato utilizzando riflettori a pareti piane che concentrano le radiazioni solari su un assorbitore piatto. In questo modo di possono ottenere valori doppi o tripli delle radiazioni a collettore rispetto alle effettive radiazioni solari incidenti.

B) Concentratori parabolici composti: sono costituiti da due superficie concave che formano una parabola a simmetria variabile, che può essere regolata in modo da massimizzare la concentrazione di raggi solari nell'assorbitore.

I concentratori del tipo A e B sono anche detti Non traccianti perché, generalmente non dispongono di un dispositivo di orientamento. Mentre i seguenti collettori sono detti traccianti in quanto sono dotati di un dispositivo elettromeccanico che segue gli spostamenti del sole.

C) Concetratori a canale parabolico: la superficie concentrante è una parabola a simmetria fissa che riflette i raggi solari lungo una linea di fuoco o canale in cui si trova l'assorbitore. Possono generare calore fino a 350° C. L'orientamento longitudinale (verticale) viene regolato stagionalmente, mentre quello trasversale (orizzontale) avviene in tempo reale.

D) Concentratori a paraboloide: generano temperature comprese tra i 200 e i 500° C. Il piatto riflettente è un paraboloide progettato in modo che i raggi vengano riflessi verso l'assorbitore posto lungo l'asse di simmetria. Il binomio piatto/assorbitore forma una struttura unica che viene orientata in tempo reale sia direzione trasversale (orizzontale) che longitudinale (verticale) per tracciare gli spostamenti del sole.

E) Concentratori a centrale: vengono progettati per generare calore ad elevate temperatura (500-1000°C). Il ricevitore vien posto in cima ad una torre fissa che viene irradiata da gruppi di specchi riflettenti, detti eliostati, la cui inclinazione viene modificata in tempo reale in base alla posizione del sole, in modo da deflettere in ogni momento le radiazioni verso il ricevitore.

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