Un impianto solare termico consente di trasformare l’energia solare in energia termica. Tale tecnologia trova la principale applicazione nella produzione di calore a bassa temperatura (45 – 65 °C) utilizzato prevalentemente per il riscaldamento dell’acqua per uso igienico – sanitario o per il riscaldamento di abitazioni ed edifici di natura residenziale, commerciale o industriale.

Un sistema solare termico è composto dai seguenti elementi principali:

•  il collettore;
• il serbatoio di accumulo.

Il principio di funzionamento di un impianto solare termico si basa sul principio termodinamico di trasferimento del calore da un corpo caldo (sole) ad un corpo freddo (fluido termoconvettore): l’energia solare incidente sulla superficie terrestre viene captata dal collettore composto da pannelli solari al cui interno circola fluido termovettore liquido (solitamente acqua). Il calore captato dal fluido viene trasferito al serbatoio di accumulo.

Una prima classificazione tra i diversi impianti tiene conto della tecnologia con cui il fluido termoconvettore viene fatto circolare all’interno dell’impianto, pertanto si distinguono:

• impianti a circolazione naturale;
• impianti a circolazione forzata.

Un impianto a circolazione naturale è caratterizzato dal fatto che la circolazione del fluido termoconvettore nell’impianto avviene grazie al principio per cui un liquido riscaldato diminuisce la propria densità e diventa più leggero. In tal caso il serbatoio di accumulo deve essere posizionato più in alto del pannello ed a breve distanza da esso e le tubazioni di raccordo tra pannello e serbatoio devono mantenere la stessa inclinazione.

Un impianto a circolazione forzata differisce da quello a circolazione naturale per il fatto che il fluido contenuto nel collettore solare scorre nel circuito chiuso per effetto della spinta fornita da una pompa comandata da una centralina o termostato attivata da sonde poste sul collettore e nel serbatoio. In questa tipologia di impianti non è quindi necessario che il sistema di accumulo sia posizionato più in alto del pannello solare.

La tecnologia della circolazione naturale è più economica nei costi di gestione in quanto non esiste consumo elettrico dovuto alla pompa e non richiede sistemi elettronici di controllo; questa tecnologia impone di porre il serbatoio ad un’altezza maggiore di quella dei pannelli, con maggiori costi per la realizzazione di adeguate strutture di sostegno dei serbatoi stessi.

Un sistema solare termico è composto dai seguenti elementi principali:

• il collettore solare;
• il serbatoio di accumulo.

Il collettore solare è l’elemento tecnologico che consente di catturare l’energia del sole e trasformarla in calore utile sotto forma di acqua calda. Segue una breve descrizione delle tecnologiche attualmente disponibili per le applicazioni di solare termico nel mercato italiano.

Per quanto concerne gli edifici residenziali e le piccole applicazioni terziarie le principali tipologie di impianti solari termici a bassa temperatura del solare termico sono:

• collettori piani vetrati (selettivi e non)
• collettori sottovuoto a tubi di calore e a circolazione diretta

 

Collettori piani vetrati

Un collettore piano è costituito da una piastra captante alloggiata in una scatola di contenimento, termicamente isolata (per ridurre le perdite di calore per conduzione termica verso l’esterno) sul fondo e sui lati, e dotata di una copertura trasparente sul lato esposto al sole. Il principale componente di un collettore piano è la piastra captante, costituita generalmente da una lastra metallica con buona conducibilità termica, che ha il compito di trasferire il calore al fluido termovettore. Per consentire un allaccio idraulico veloce e semplice, i pannelli solari termici hanno in genere delle tubazioni di raccordo (posizionate in alto e in basso sui lati lunghi del modulo) che consentono di affiancare più pannelli rendendoli subito collegati tra loro.

 

 

Nella parte superiore della scatola di contenimento, una copertura trasparente consente la trasmissione della luce e favorisce l’effetto serra, trattenendo calore all’interno del pannello. Il vetro utilizzato dovrà: essere trasparente alla radiazione solare (conseguentemente dovrà essere basso il coefficiente di riflessione); essere opaco a quella infrarossa emessa dalla piastra assorbente; avere una certa resistenza ai carichi meccanici e limitare le dispersioni termiche per convezione. E’ importante quindi l’ingresso e l’assorbimento della massima radiazione solare nel collettore, e la scarsa capacità della lastra captante e del vetro di copertura di disperdere radiazione infrarossa verso l’esterno del dispositivo. Affinché la piastra captante abbia, oltre ad un’elevata assorbanza, una bassa emissività termica, la scelta di un collettore con un determinato trattamento selettivo può limitare moltissimo il rilascio di calore verso l’esterno (come mostrato nella seguente figura). Riducendo le perdite radiative aumenta l’efficienza dei collettori e, diversamente dalla semplice verniciatura nera che assorbe soltanto il 15% della radiazione solare, con l’utilizzo di superfici assorbenti con strati selettivi (agli ossidi di titanio, all’ossido di cromo, etc.), la piastra ha un coefficiente di assorbimento della radiazione solare che può raggiungere anche il 90% (conseguentemente il coefficiente di emissione della radiazione infrarossa sarà basso).

 

 

Esistono molte soluzioni che si differenziano per la selettività dell’assorbitore; per il materiale utilizzato (rame, acciaio inox o alluminio anodizzato); per tipologia della lastra (lastra con canalizzazioni saldate/aggraffate o lamiere saldate insieme contenenti il fluido termovettore a libera circolazione) e per tipologia di funzionamento (impianti a circolazione forzata o a circolazione naturale).

In commercio esistono diverse tipologie di piastre captanti (alcune di queste sono mostrate in figura 5.10), ognuna delle quali presenta pro e contro. In genere una piastra dovrebbe garantire una buona trasmissione del calore al fluido e l’utilizzo del medesimo materiale, oltre a favorire il riciclaggio a fine vita, può contribuire a questo aspetto (grazie alla minore resistenza termica tra gli elementi). E’ altresì importante che la connessione tra la piastra ed i tubi sia eseguita al meglio, evitando un eccessivo numero di saldature. Inoltre, rispetto alle piastre all’interno delle quali il fluido circola liberamente (sistemi ad accumulo integrato), le piastre con canalizzazioni contengono meno fluido per unità di superficie ed il sistema, dovendo riscaldare una minore massa d’acqua, è di conseguenza più reattivo.

 

 

In un collettore solare è possibile distinguere diversi flussi di energia: la radiazione solare che colpisce la copertura trasparente viene da questa assorbita (85~96%) ma la piastra captante non trasforma tutta la restante radiazione in calore utile (in parte la riflette ed in parte disperde il calore per convezione, conduzione e irraggiamento verso l’esterno). L’energia solare incidente quindi, tenendo conto di queste perdite di energia, solo in parte diventa calore utile da trasferire al fluido termovettore.

 

Collettori sottovuoto

Nei collettori sottovuoto (o collettori a tubi evacuati) viene praticato il vuoto tra la copertura vetrata cilindrica e la piastra captante al suo interno, eliminando le perdite conduttive e convettive. E’ possibile realizzare un’evacuazione spinta di circa 10-3 bar in una struttura tubolare, poiché tale forma offre una buona tenuta al vuoto ed una resistenza meccanica notevole. Come nei collettori piani, una piastra captante con trattamento selettivo diminuisce l’emissività e le perdite per irraggiamento. Nei siti di installazione, caratterizzati da un contesto climatico particolarmente rigido (temperature prossime allo zero durante l’inverno) o da valori di irraggiamento non elevati (o comunque ostacolati dal cielo nuvoloso), i sistemi solari termici a tecnologia sottovuoto offrono prestazioni molto maggiori dei sistemi vetrati piani. Inoltre la conformazione cilindrica dei tubi in vetro borosilicato, annulla i pericolosi effetti vela che invece vanno considerati nei pannelli solari piani. In genere nella parte terminale dei tubi si trova una patina alluminata che, in caso di perdita di sottovuoto (in presenza d’aria), si trasforma in polvere bianca consentendo di individuare immediatamente il tubo difettoso. Il pannello, durante la sostituzione di un tubo (una semplice operazione di sfilamento), può continuare a funzionare senza perdite di liquido e senza che vi sia alcuna interruzione nella circolazione dell’impianto.

I collettori sottovuoto si presentano esternamente come una serie di tubi collegati tra loro in parallelo che hanno, in corrispondenza di un’estremità, un condotto di raccolta nel quale scorre il fluido termovettore. I collettori a tubi evacuati attualmente in commercio si distinguono in collettori sottovuoto a tubi di calore (heat pipe) e collettori sottovuoto a circolazione diretta del fluido termovettore.

 

 

Nei collettori sottovuoto con circolazione diretta del fluido termovettore, sono in genere presenti due tubi coassiali. Una tipologia prevede che nel tubo più interno passi il fluido termovettore che, giunto alla base del bulbo, prosegue circolando nell’intercapedine tra i due tubi riscaldandosi. In un’altra tipologia (collettori di tipo Sydney) il tubo più interno, che funge da piastra captante essendo rivestito da una lamina in rame con trattamento selettivo, è percorso da un tubicino disposto ad u al quale viene trasferito il calore.

 

 

Nei collettori sottovuoto a tubi di calore o heat pipe il fluido, riscaldato per irraggiamento, evapora e successivamente condensa cedendo l’energia termica assorbita ad un condensatore, quindi lo scambio di calore avviene con un passaggio di fase. La lamina metallica (trattata in modo selettivo) che funge da piastra captante, trasmette calore per conduzione ad un tubicino in depressione contenente fluido bassobollente (in tali condizioni l’acqua o alcool evaporano a circa 25 °C). Il migliore isolamento termico di tale sistema (K<3W/m2°C) compensa la loro minore efficienza ottica (60~80%). Infatti, a parità di superficie, presentano in genere un migliore rendimento medio stagionale, per il sostanziale annullamento delle perdite termiche per convezione e conduzione legate all’intercapedine tenuta sotto vuoto spinto.

 

 

Efficienza di un collettore

Si definisce efficienza istantanea η di un collettore solare, il rapporto (nell’unità di tempo) tra il calore utile ceduto al fluido termovettore e la radiazione solare incidente. Generalmente l’efficienza istantanea di un collettore è influenzata dalla temperatura media del fluido termovettore, più che da quella della piastra captante. Quindi a parità di irraggiamento solare, maggiore è la differenza tra la temperatura media del fluido termovettore e la temperatura ambiente, maggiori sono le perdite di calore e minore l’efficienza del collettore. Nel seguente diagramma (con il rendimento “eta” sull’asse delle ordinate e ΔT/G sull’asse delle ascisse) si nota subito che il rendimento di un qualsiasi collettore (piano vetrato o non, con o senza superficie selettiva, sottovuoto) è rappresentato da una retta decrescente all’aumentare di ΔT/G:

 

 

In un collettore solare non vetrato (senza copertura trasparente) la curva di efficienza decade più rapidamente per valori elevati del parametro ΔT*, infatti questa tipologia non offre buone prestazioni invernali ed è adatta quasi unicamente per produzioni estive (quando la differenza di temperatura è minore per l’elevata temperatura esterna e l’abbondanza della radiazione solare) in stabilimenti balneari, piscine, etc. Nelle condizioni operative in cui il valore di ΔT* si mantiene basso, l’efficienza di questi collettori può essere infatti persino migliore delle altre tipologie.

In genere le case costruttrici in genere forniscono le curve di efficienza istantanea relative ai propri collettori solari, attraverso le quali è possibile calcolare intuitivamente l’efficienza del sistema captante in funzione delle condizioni esterne e della temperatura operativa del fluido.