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TECNICA

Prof. Ing. Saverio Stratacò

PANNELLI SOLARI

ENERGIA PULITA ED INESAURIBILE

L'Energia solare fa parte di quelle risorse energetiche rinnovabili che attualmente hanno una funzione integrativa più che alternativa rispetto alle energie cosidette convenzionali. Su questo tipo di energia pulita, pressoché inesauribile, disponibile a costo zero, si sono rivolti in questi ultimi decenni, interessi ed attese. Sono state attivate risorse umane ed economiche, non solo per realizzare progetti di ricerca, ma anche per concretizzare realtà impiantistiche, la cui diffusione ha riscontrato successo,specialmente nelle regioni più sensibili ai problemi ambientali ed al risparmio energetico. L'energia solare ha origine dalle continue trasformazioni termonucleari che si verificano nel sole. Essa si propaga per irraggiamento nel vuoto cirsostante sotto forma di onde elettromagnetiche con una velocità pari a quella della luce. Entrando nell'atmosfera terrestre l' energia solare subisce una serie di trasformazioni fisiche che, in parte , attenuano la sua intensità. L'atmosfera terrestre, infatti, induce sull'energia radiante solare fenomeni di riflessione e di assorbimento permettendo solo ad una parte di essa di raggiungere il suolo. Da questa frazione di energia, mediante elementi preposti alla sua captazione e trasformazione, si possono ottenere altre forme di energia meglio utilizzabili come ad esempio l'energia termica ed energia elettrica. Nella trattazione che segue si esamineranno le linee essenziali del principio di funzionamento dei pannelli solari piani, adibiti alla produzione di acqua calda per usi sanitari.Da un punto di vista impiantistico, gli elementi strutturali che costituiscono un pannello solare piano sono:
L'assorbitore
La copertura trasparente protettiva
il materiale isolante
la struttura di contenimento dei precedenti elementi
i collegamenti idraulici ed elettrici

La figura seguente illustra l'insieme di questi elementi connessi tra di loro.
  La radiazione solare, dopo aver attraversato la copertura trasparente, investe la superficie esterna dell'assorbitore e la riscalda. All'interno di questo, in genere di forma tubolare, scorre il fluido termovettore o fluido primario che, dopo aver assorbito energia termica , è convogliato in uno scambiatore di calore contente l'acqua da riscaldare. In esso il fluido termovettore trasferisce parte della sua energia termica all'acqua. Il trasferimento di calore tra i due fluidi avviene in modo indiretto, attraverso una superficie metallica interposta.La figura seguente rappresenta la connessione tra pannello solare e serbatoio.
L'assorbitore ha la funzione di intercettare e trattenere la massima quantità di energia radiante e trasferirla al fluido termovettore. Il materiale che lo costituisce deve, pertanto, possedere un elevato coefficiente di assorbimento ed una ridotta emissività nell'infrarosso, per limitare le dispersioni termiche dovute al reirraggiamento da parte dell'assorbitore stesso. Particolare menzione merita l'assorbitore sottovuoto, ottenuto introducendo l'assorbitore normale in un tubo di vetro, saldato all'estremità, da cui è stata estratta l'aria. Si riducono cosi drasticamente le dispersioni termiche convettive attraverso la superficie assorbente migliorando il rendimento del pannello. In genere l'assorbitore è costituito da materiale metallico, a volte anche sintetico. La sua superficie esterna è trattata in modo da assumenre una colorazione nera.
Il materiale isolante, oltre ad agire da supporto all'assorbitore, lo protegge e ne isola termicamente la parte posteriore e le parti laterali
La copertura trasparente ha la funzione di permettere il passaggio delle radiazioni solari incidenti, proteggere la superficie assorbente ed impedire la fuoriuscita delle radiazioni infrarosse emesse da quest'ultima per irraggiamento. Si crea in questo modo, all'interno del pannello, l'effetto serra che incrementa il rapporto tra l'energia radiante assorbita e quella incidente. Il materiale che costituisce la copertura deve pertanto essere trasparente alle radiazioni solari ed opaco alle radiazioni infrarosse. I materiali che meglio soddisfano queste condizioni sono il vetro incolore, il cloruro di polivinile, il poliestere. Questi ultimi, di origine sintetica, pur possedendo proprietà meccaniche superiori e costi inferiori rispetto al vetro, presentano lo svantaggio di degradarsi facilmente in seguito all'azione dei raggi ultravioletti e degli agenti atmosferici.
Il fluido termovettore ha la funzione di trasferire l'energia termica dall'assorbitore al fluido contenuto nello scambiatore di calore, detto anche fluido secondario. In genere è costituito da un liquido, perché più efficace a trasferire il calore rispetto ad un gas. Tra i liquidi termovettori più usati vi è l'acqua,specialmente nelle zone dove non sussiste il pericolo del congelamento invernale.Deve, però,essere opportunamente trattata per ridurre la durezza ed evitare così depositi calcarei. Altri liquidi usati sono quelli diatermici e le miscele acqua-antigelo.
Lo scambiatore di calore, detto comunemente serbatoio, è in genere un contenitore di forma cilindrica, coibentato esternamente per limitare le dispersioni termiche. In esso vi sono due circuiti idraulici distinti: quello percorso dal fluido termovettore e quello percorso dall'acqua da riscaldare. Quest'ultimo è collegato a sua volta, all'impianto idraulico dell'utilizzazione. I due circuiti, connessi tra di loro, ma separati da una superficie metallica, permettono il trasferimento di calore dal fluido termovettore all'acqua. In genere il primo è fatto circolare in una serpentina immersa nell'acqua o, in alternativa, in una intercapedine che agisce come camicia di riscaldamento, ricavata sulla superficie dello scambiatore. Il dimensionamento del serbatoio dipende dalla superficie del pannello a cui e collegato. In linea approssimativa ad ogni metro quadrato di pannello solare piano deve corrispondere un volume di serbatoio pari a 60 -70 litri.
La circolazione del fluido termovettore tra il pannello solare e lo scambiatore di calore si può realizzare in modo naturale o forzato,in funzione della posizione del pannello rispetto allo scambiatore di calore. Quest'ultima può essere più in basso o più in alto rispetto allo scambiatore. Nel primo caso, in seguito al riscaldamento del fluido termovettore per azione della energia solare, si innescano, in seno a questo, dei moti convettivi che lo inducono a trasferirsi verso l'alto. Diconseguenza altro liquido più freddo viene richiamato dal basso verso l'interno dell'assorbitore. Così l'azione continua dell'irraggiamento permette una circolazione naturale del fluido caldo verso lo scambiatore e del fluido più freddo verso il pannello. La circolazione naturale è vantaggiosa sia perchè non richiede macchine operatrici per la movimentazione, sia perchè si autoregola. Essa, infatti, è possibile solo durante l'irraggiamento e non può verificarsi l'eventualità dell'inversione del flusso del fluido termovettore. Nel caso in cui i pannelli solari siano collocati più inalto o,al limite,alla stessa quota dello scambiatore , non è più possibile la circolazione naturale del fluido termovettore. Si rende necessario in tale caso l'uso di un'elettropompa. L'introduzione di questo organo meccanico di spinta nel circuito, rendendo gli scambi termici più rapidi, consente un maggiore rendimento del sistema. Tuttavia la presenza dell'elettropompa presenta lo svantaggio di rendere il sistema più oneroso:richiede il consumo di energia elettrica, incrementa i costi di installazione e di manutenzione.

IL PANNELLO SOLARE
Il pannello solare produce acqua calda in modo ottimale nelle giornate soleggiate ed in modo accettabile anche quando il cielo è nuvoloso. Non èfunzionante quando il cielo è molto nuvoloso, durante i temporali e nelle ore notturne. Per ottenere acqua calda in modo continuativo anche quando l'irraggiamento viene a mancare, è necessario ricorrere all'uso di energie alternative integrative di soccorso. Diverse sono le soluzioni adottate in questo caso. Si può ricorrere all'energia termica accumulata nei periodi in cui la radiazione solare supera i limitidel fabbisogno energetico dell'utilizzazione. Si può ricorrere all'intervento di una caldaia a gas quando la temperatura dell'acqua sanitaria in uscita dal serbatoio è al di sotto di 40-50°C. Si può inserire nel serbatoio stesso una resistenza elettrica integrativa, dotata di un termostato tarato, tale da attivarne il funzionamento quando la temperatura dell'acqua assume valori inferiori a 40°.

DIMENSIONAMENTO DI UN PANNELLO SOLARE

Per dimensionare un pannello solare piano, adibito alla produzione di acqua calda sanitaria, in un' unità abitativa, è necessario avere a disposizione una serie di dati relativi alle esigenze degli utenti e alla potenzialità del pannello. I primi sono, in genere, reperibili da indagini statistiche, gli altri vengono forniti dai costruttori. Occorre conoscere il numero delle persone che vive nella struttura abitativa, il consumo giornaliero per persona di acqua calda (ad una temperatura di circa 45°C) . Attualmente quest' ultimo dato,nelle società avanzate, oscilla tra 70 e 80 litri. Occorre poi conoscere la potenzialità dell'impianto, ossia la quantità di acqua calda prodotta per ogni mq di pannello in un intervallo di tempo compatibile con le esigenze degli utenti. Si deve inoltre tener conto che la potenzialità varia in funzione delle condizioni metereologiche e delle stagioni. La temperatura massima raggiunta dall'acqua in estate è all'incirca 70°C, mentre in inverno questo valore si riduce a 40°C. Secondo una stima approssimata, per scaldare l'acqua contenuta nel serbatoio necessitano sei ore di sole in estate e dieci ore in inverno.Ovviamente questa stima è corretta se il volume del serbatoio è correlato all'estensione superficiale del pannello: ad ogni metro quadrato di pannello deve corrispondere un volume del serbatoio pari a 60-70 litri

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TRASFORMAZIONI TERMONUCLEARI: Trasformazioni che avvengono ad altissima temperatura ed inducono, nei nuclei atomici degli elementi chimici, variazioni di massa e di ennergia, sviluppando enormi quantità di calore.

IRRAGGIAMENTO: Fenomeno per cui un corpo emette energia che si propaga sotto forma di onde elettromagnetiche. Qualsiasi corpo costituisce una sorgente di energia radiante quando la sua temperatura è superiore allo zero assoluto, Le molecole del corpo, in questo caso dotate di moto rotatorio o vibratorio possono generare onde elettromagnetiche. Queste possono propagarsi anche nel vuoto, secondo una frequenza che dipende dalla temperatura della sorgente.

ONDE ELETTROMAGNETICA: fenomeno di propagazione ondulatorio generato da cariche elettriche in movimento, dotato di una caratteristica frequenza di oscillazione e velocità di propagazione, che trasporta una determinata quantità di energia.

RIFLESSIONE: Fenomeno secondo il quale quando un'onda elettromagnetica investe la superficie di un corpo una parte di essa è rinviata verso la sorgente.

ASSORBIMENTO: Fenomeno che si manifesta quando un'onda elettromagnetica, investendo la superficie di un corpo, penetra, in parte, in esso e si trasforma in calore o in altra forma di energia.

COEFFICIENTE DI ASSORBIMENTO: E' il rapporto tra l'energia assorbita da un corpo e quella incidente sulla sua superficie.

EMISSIVITA': E' il rapporto tra l'energia emessa da un corpo e quella emessa da un corpo nero, dotato della stessa superficie e temperatura del primo. Per corpo nero si intende un corpo che assorbe tutta l'energia radiante che incide su di esso.

DISPERSIONI TERMICHE CONVETTIVE: Quantità di energia termica che si disperde attraverso una superficie a contatto con un fluido a temperatura inferiore.

RENDIMENTO DEL PANNELLO: E' il rapporto tra il calore assorbito dal liquido termovettore e l'energia radiante incidente sul pannello.

RADIAZIONE INFRAROSSA : Costituisce la banda dello spettro elettromagnetico, compresa tra il visibile e le onde radio. Trova diffuse applicazioni in vari settori della tecnica perchè dotata di alto potere calorifico: il suo assorbimento, da parte dei corpi, si trasforma in un aumento di energia termica.

LIQUIDO DIATERMICO: Liquido usato in impianti termici per scambiare e trasferire calore.

MOTI CONVETTIVI: Sono moti che si producono all'interno di un fluido, dovuti allo spostamento di porzioni calde di esso verso parti fredde e viceverse.

ELETTROPOMPA: Macchina operatrice idraulica azionata da un motore elettrico.

TERMOSTATO: Elemento di regolazione negli scambi termici, usato per mantenere costante la temperatura di un'apparechiatura, di un ambiente, di un fluido.