Solare termico

I collettori solari termici, comunemente detti pannelli solari, rappresentano una tecnologia utilizzata per la produzione di acqua calda sanitaria e per la climatizzazione invernale ed estiva egli ambienti attraverso sistemi combinati e sistemi innovativi di solar-cooling.
Gli impianti sono costituiti da un collettore solare che viene montato generalmente su una copertura con lo scopo di catturare la maggior quantità di radiazione solare e trasformala in calore (a differenza del pannello fotovoltaico che la trasforma in energia elettrica) e una unità di accumulo di calore.
I collettori solari a seconda delle caratteristiche tecniche si suddividono in:

• collettori solare piano vetrato
• collettori a tubi sottovuoto
• collettori piani scoperti

Il collettore solare piano vetrato rappresenta la tipologia più diffusa presente oggi sul nostro mercato. I componenti fondamentali sono:

• una superficie trasparente di vetro temprato
• una serpentina di tubi in rame fissati su una piastra assorbente di colore scuro
• uno strato isolante sottostante e sui bordi del pannello costituiti da lana di roccia o poliuretano
• un sottofondo in lamiera zincata
• una struttura portante
• due connettori collocati generalmente ai lati del pannello per l’adduzione e il ritorno del fluido termovettore

Bilancio energetico di un collettore

Il principio di funzionamento del collettore solare piano vetrato si basa essenzialmente sulla proprietà di trasparenza della superficie vetrata alla radiazione solare incidente e alle caratteristiche dell’assorbitore a captare la parte di radiazione rimanente e contenere le emissioni. Della quantità di radiazione incidente I₀ sulla lastra vetrata, una piccola quantità viene riflessa verso l’esterno I₁ e la restante parte viene trasmessa all’interno direttamente all’assorbitore dove viene trasformata in calore ad esclusione di una piccola parte quantità riflessa. Il calore assorbito dalla piastra infine viene trasmesso al fluido termovettore, acqua o glicole, contenuto nella serpentina ad esso solidale e trasportato al serbatoio di accumulo. La quantità di radiazione non utilizzata I₁ e I₂ dipendono dal coefficiente di trasmissione del vetro e dal coefficiente di assorbimento e dall’emissività dell’assorbitore.
Le perdite di calore per conduzione Q₂ sono ridotte al minimo grazie all’isolante presente mentre una buona sigillatura del vetro consente di migliorare l’effetto serra e ridurre le perdite per convenzione e irraggiamento Q₁. Le perdite Q₁ e Q₂ sono influenzate dalla trasmittanza termica U (W/m²K)dell’isolante utilizzato e dalle condizioni di funzionamento ovvero dalle temperature dell’aria esterna e dalla temperatura del fluido termovettore.
Il calore Qu ceduto al fluido termovettore è dato dalla quantità di radiazione solare incidente al netto delle perdite ovvero:

Qu = I₀ - I₁ – I₂ - Q₁ - Q₂

L’efficienza del collettore è data da:

η = Q_u / I₀

L’efficienza di un collettore è strettamente correlata alla quantità di radiazione non utilizzata I₁ e I₂ che dipendono dal coefficiente di trasmissione del vetro e dal coefficiente di assorbimento e dall’emissività dell’assorbitore

Nel grafico sono evidenziate le curve di efficienza relative a 3 differenti tipologie di collettori in funzione della differenza tra la temperatura media nel pannello e la temperatura ambiente esterno. L’efficienza del collettore termico aumenta al diminuire di Δθ, raggiunge la massima efficienza per Δθ=0 (temperatura del collettore θ_m è uguale alla temperatura dell’aria θ_amb).
Dal grafico si evince che la massima efficienza di produzione termica si raggiunge con il collettore scoperto anche se presenta, a differenza degli altri collettori, un peggioramento repentino di efficienza con l’aumentare di Δθ.
L’applicazione di collettori scoperti risulta pertanto idonea nei casi in cui la temperatura dell’aria esterna è prossima alla temperatura del fluido termovettore (es. riscaldamento delle piscine esterne). I collettori a tubi sottovuoto raggiunge una efficienza massima inferiore al collettore scoperto ma presenta una maggiore stabilità delle prestazioni all’aumentare di Δθ che lo rende idoneo per la produzione di calore ad alta temperatura (processi industriali).
Sul mercato sono disponibili molteplici soluzioni a seconda delle caratteristiche dei materiali impiegati (rame, acciaio inox, alluminio anodizzato), per la selettività dell’assorbitore, per tipologia di impianto a circolazione forzata o naturale, questi ultimi meno costosi, più affidabili, ma meno integrabili architettonicamente per la presenza di un serbatoio di accumulo da posizionare più in alto del pannello.

Esempio di collettore tubolari sottovuoto con sezione di tubo a doppio vetro coassiale. Al fine di migliorare l’efficienza viene posto sotto l’assorbitore un riflettore di forma parabolica in grado di catturare e convogliare l’irradiazione riflessa, sull’elemento captante

 Il problema della dispersioni termiche dei pannelli solari piani è stato risolto con i collettori tubolari sottovuoto. La principale differenza tra i due sistemi è che l’assorbitore di quest’ultimo è contenuto in un tubo cilindrico di vetro la cui superficie è coperta da un trattamento selettivo e all’interno della quale è stato ricavato il sottovuoto. L’assorbitore è generalmente costituito da una piastra metallica di forma piana o curva.
I vari tubi sono poi collegati nella parte superiore da un elemento dove passano le tubazioni di andata e ritorno del fluido termovettore.

Si distinguono due tipi di collettori sottovuoto:

• a tubi in vetro: ogni tubo di vetro contiene un tubo di rame piegato a “U”. I tubi di rame sono collegati in parallelo e percorsi dal fluido termovettore che scende verso il basso e risale assorbendo il calore della radiazione diretta e riflessa da uno specchio
• heat pipe (tubo di calore): è composto da un unico tubo all’interno del quale un liquido con basso punto di ebollizione riscaldandosi evapora risalendo verso la parte superiore del condotto che termina con uno scambiatore di calore a condensazione. Il vapore ottenutto permette di trasferire il calore al fluido termovettore che scorre nelle tubazioni primarie e una volta condensato scende per gravità nella parte inferiore del condotto riscaldandosi a contatto con l'assorbitore e da qui inizia nuovamente l'intero ciclo. Per garantire tale processo fisico il collettore heat pipe non può essere disposto in orizzontale.
  Rispetto alle altre tipologie i collettori piani presentano un elevato rendimento dovuto essenzialmente al miglior isolamento per cui trovano impiego in climi rigidi e nei casi in cui sono richieste elevate temperature. Inoltre il montaggio risulta facilitato dalla minor peso e in caso di rottura è possibile sostituire solo il tubo danneggiato. Gli svantaggi sono l'elevato costo, la fragilità.

Tubo sottovuoto con assorbitore piano

Schema funzionamento Heat Pipe