Dispositivi di captazione della radiazione solare - Studium

Dispositivi di captazione della radiazione solare
• L’irraggiamento solare è convertito in
energia termica per mezzo di
componenti preposti alla captazione
della radiazione solare (diretta, diffusa
e riflessa)
• La radiazione solare giunge al
dispositivo di captazione, viene
assorbita dall’assorbitore assorbitore e trasferita
ad un fluido termovettore, , che può
essere acqua, aria o un fluido
diatermico.
• I dispositivi di captazione possono
essere classificati in base alla
temperatura del fluido termovettore e
al rapporto di concentrazione Cr,
• Cr = rapporto tra la superficie di
ammissione dell’irraggiamento solare
non concentrato e la superficie di
assorbimento del dispositivo.

Pannelli solari piani
I pannelli solari piani captano tutte e le tre componenti della radiazione solare
e sfruttano l’effetto serra, l’energia termica proveniente dal sole, viene
trasferita al fluido termovettore.
Sono formati da:
a) una superficie assorbente;
b) una rete di tubazioni nella
quale scorre il fluido
termovettore;
c) una copertura trasparente;
d) un rivestimento isolante;
e) una struttura di
contenimento che costituisce
l’involucro esterno.
La copertura trasparente è realizzata con materiali trasparenti alla radiazione
solare incidente, ma opachi alla radiazione infrarossa reirraggiata.
.

Collettori monoblocco o ad accumulo
Sono composti da un serbatoio in
acciaio inox che viene esposto
direttamente al sole, solitamente sono
asserviti ad un collettore piano
integrato. Il serbatoio è dipinto di nero,
termicamente coibentato e coperto da
una lastra di materiale trasparente
termoisolante, può anche essere
montato in una cavità del tetto in cui si
trova uno specchio solare concavo che
riflette la luce;
vengono collegati direttamente alla rete
dell'acqua fredda e calda senza l'ausilio
di scambiatori di calore e pompe.
Utilizzo limitato alla sola produzione di
acqua calda sanitaria, inoltre, durante la
notte o nei giorni con scarsi apporti
solari possono raffreddarsi facilmente.

Sono composti da tubi di vetro sottovuoto ricoperti da uno strato altamente
selettivo che trasforma la radiazione solare in calore
Le estremità di un tubo vetro interno e di uno esterno vengono fuse tra
loro e l'aria è estratta dall'intercapedine.
A differenza dei pannelli a piastra, questa tipologia di collettori non conduce
calore, essendo l'aria un buon isolante, per cui non si verificano perdite per
convezione e conduzione e pertanto il loro rendimento è superiore ai
collettori piani
Collettore solare a tubi sottovuoto
L'assorbitore di calore è di forma
circolare ed è alloggiato all'interno
della cavità sottovuoto dei tubi stessi;
Nell’assorbitore è integrato un tubo
scambiatore di calore coassiale
all’interno del quale scorre il fluido
termovettore
il fluido termoconvettore evapora,
cede calore all'estremità superiore
del tubo, si condensa e ritorna in
basso.

Collettore solare a tubi sottovuoto
Generalmente sono forniti con concentratori a
specchio retrostanti i tubi sottovuoto, in modo
da sfruttare al massimo la radiazione solare.
Hanno efficienze del 15% circa superiore ai
migliori collettori piani, alcuni produttori
dichiarano efficienze fino al 70% superiori ai
normali collettori.
Le dispersioni termiche vengono molto ridotte sicchè i collettori sono in
grado di produrre acqua calda anche in caso di solo irraggiamento solare
diffuso.
Possono trattenere il calore accumulato anche in condizioni atmosferiche
molto rigide, garantendo prestazioni elevate durante l'intero arco dell'anno;
Per questi motivi possono essere utilizzati anche in zone con un'insolazione
medio-bassa o con condizioni climatiche rigide durante l'inverno, come in
alta montagna o nei paesi nordici.

Collettore solare a tubi sottovuoto
Il fluido circola nel tubo termovettore e,
dopo essere evaporato durante il
riscaldamento, si ricondensa
trasmettendo il calore al fluido solare
sulla parte terminale del condensatore.
La distribuzione del calore tra il
condensatore ed il circuito solare
avviene a secco, cioè senza
contatto diretto tra i fluidi e lo
scambiatore di calore a tubo doppio
che avvolge quasi completamente i
condensatori.
L’angolo d’inclinazione dei collettori
non deve essere inferiore ai 20°
affinché il fluido termovettore possa
circolare, allo stato di vapore, nel
tubo termovettore.
Media annuale di ricavo di energia
solare per m 2 di superficie di
collettore di ca. il 50 % in più
rispetto ad un collettore piano

Collettori a concentrazione
Utilizzano riflettori o lenti per concentrare la radiazione solare creando
una zona ad alta temperatura (RC=rapporto di concentrazione),
Utilizzati per temperature di esercizio >100 °C

Funzionamento dei collettori solari
la radiazione solare
incidente viene:
- in parte assorbita dal
liquido,
- in parte dispersa
- in parte trasmessa
attraverso le pareti del
recipiente.
DISPERSIONI:
– per conduzione attraverso le pareti del contenitore;
– per convezione attraverso la superficie di separazione aria-acqua;
– per irraggiamento all’infrarosso; La riduzione delle dispersioni termiche nel
vetro è funzione delle proprietà selettive nei confronti delle lunghezze d’onda
della radiazione solare
– per evaporazione dell’acqua.

Ottimizzazione del sistema
massimizzare la radiazione
assorbita
Per limitare le dispersioni per
conduzione attraverso le pareti
dell’involucro esterno viene posto
uno strato di coibente lungo le
superfici laterali ed inferiore della
cassa.
La superficie vetrata offre una
resistenza moderata allo scambio
termico per conduzione, spesso
realizzata mediante due vetri:
l’inserimento di un secondo vetro
riduce la radiazione incidente
trasmessa alla piastra assorbente.
rendere minime le dispersioni

Ottimizzazione del sistema
• La piastra assorbente è costituita da due lamiere sagomate e
saldate l’una l
sull’altra in modo da formare un percorso a serpentina,
al suo interno circola il fluido termovettore che asporta il calore
assorbito dalla piastra.
• I pannelli a piastra possono essere di due tipi:
a superficie non selettiva: : l'assorbitore di calore è verniciato in
nero, colore che contribuisce a captare e trattenere meglio e più a
lungo i raggi solari;
a superficie selettiva: : l'assorbitore di calore è potenziato da un
trattamento con un prodotto infrarosso che consente al pannello di
trattenere maggiormente il calore del sole, riducendo al tempo
stesso la riflessione.
• Si raggiungono valori del coefficiente di assorbimento α >0.8.

Ottimizzazione del sistema
Sezione di collettore solare selettivo
1 Copertura supertrasparente g
2 Guarnizione perimetrale per la sigillatura
3 profilo di chiusura a clip
4 profilo del telaio- struttura
5 Strato isolante da 50 millimetri
6 Piastra dell'assorbitore di rame con
rivestimento altamente selettivo
7 Saldatura di unione
8 Tubi di rame
Potenza termica dispersa
Qd = U x A c ollettore x (Tp - Ta) =
Tp = temperatura media della
piastra;
Ta = temperatura dell’aria esterna.
Coefficiente di dispersione termica U
dipende dal grado di isolamento, dal
numero e dalle caratteristiche dei vetri
e dall’emissività della piastra
assorbente.
W/m 2 °C < U < 8 W/m 2 °C

Scambi termici radiativi
• Gli scambi per irraggiamento sono molto complessi per effetto dalle riflessioni
multiple che la radiazione solare subisce tra il vetro e la piastra assorbente
• La piastra riscaldandosi, riemette a sua volta energia raggiante nel campo
dell’infrarosso, ma per queste lunghezze d’onda d
il vetro si comporta come un corpo
opaco non consentendo alla radiazione di fluire verso l’esterno. l
• Nel passaggio tra due mezzi trasparenti vale la relazione di Fresnel:
Sommando i diversi contributi
trasmessi attraverso il vetro si ottiene
la frazione di radiazione che ha
attraversato il vetro (τ):
τ = (1-ρ)/(1+ ρ)
It = τ Iβ = energia che raggiunge la
piastra
Iβ = energia solare incidente sul
vetro.
Una parte dell’energia incidente viene
riflessa dalla piastra verso la copertura
trasparente e una parte viene assorbita
dalla piastra stessa

Scambi termici radiativi
Nei i pannelli solari viene fornito il prodotto trasmissione-assorbimento, (τα),
(τα) =aliquota di energia termica che viene assorbita dalla piastra nera.
dipende dalle caratteristiche del sistema vetro-piastra
(τα ) = 0.7 (collettori a doppio vetro) ÷ 0.8 ( collettori a singolo vetro).
potenza termica
assorbita dalla piastra
Ia = (τα) I β
( τα )
τα
=
1−
( 1−α
)ρ
α = coefficiente di assorbimento della piastra

ilancio tra quantità di energia
bilancio tra la quantità di energia incidente e le quantità assorbite e riflesse
per un pannello solare piano a singolo vetro

Bilancio energetico ed efficienza di un
collettore solare
Qu = Qa - Qd = (τα )·I β -U·(Tp - Ta)
Qu = potenza termica utile trasferita al
fluido termovettore.
Qd =U·(Tp - Ta)
Qa = (τα )·I β
Il calcolo della temperatura Tp
della piastra è di difficile
determinazione
Iβ = potenza termica incidente sulla
superficie del pannello solare,
Tp = temperatura media della piastra
Ta = temperatura dell’ambiente

Equazione di Bliss
• Utilizza la Ti di ingresso del fluido nel pannello, anzichè la temperatura
della piastra Tp
Qu =FR·[(
[(τατα )·I β -U U (Ti - Ta)]
• FR = fattore di asporto termico, indica di quanto si discosta il sistema
reale (Tp(
> Ta) da quello ideale (Tp(
= Ta) in cui sono assenti le perdite
dovute agli scambi termici fra corpi a differente temperatura.
• I valori di FR, (τα(
τα ) ed U sono forniti dalle ditte produttrici di pannelli
solari.
• Esprimendo la potenza utile in termini di salto termico
Qu = mCp(Tu
(Tu-Ti) Ti) = FR·[(
[(τατα )·I β -U U (Ti - Ta)]
• Noti FR, (τα(
τα ) ed U e stabilito il ΔT=Tu-Ti
Ti (assegnato in fase di
progettazione), è possibile calcolare la portata m per differenti valori
della radiazione solare e della temperatura esterna.
• Per mantenere costante la temperatura Tu di uscita del fluido dalla
piastra si modifica la velocità di circolazione del fluido rendendo così
variabile la portata

Rendimento termico dei collettori solari
Energia utile concentrata
η = =
Energia solare incidente
Qu
/
I
A
A = area collettore
I = radiazione solare incidente per unità di
superficie
m = portata fluido termovettore
Cp = calore specifico fluido termovettore
Ti = temperatura ingresso fluido termovettore
Tu = temperatura uscita fluido termovettore
Q = mc ( T −T)
u p u i
( Ti −Tamb)
η = FR( τα) e
−FRU
Hotter – Whillier – Bliss
L
I
L’efficienza si riduce al diminuire del prodotto FR(τα ) ed all’aumentare del
prodotto FRUL, per un assegnato valore del rapporto (Ti - Ta)/Iβ ,

Rendimento termico dei collettori solari
Considerando FR(τα
τα ) e
FRU L costanti
η = equazione di una retta
di variabile (Ti - Ta)/Iβ;
Posti
FR(τα )=a;
FRU L =b ;
(Ti - Ta)/ Iβ =Δt,
η =a -bΔ t/ Iβ
( Ti −Tamb)
η = FR( τα) e
−FRUL
I

Rendimento termico dei collettori solari
a) l’efficienza l
aumenta al diminuire
del rapporto Δt/I t/I β
;
a parità di Δt, all’aumentare aumentare della
radiazione solare
\ a parità di I β
al diminuire di Δt;
b) per Δt =0 (ti=ta) η

Rendimento termico dei collettori solari
• Modeste intensità della radiazione solare Iβ ⇔ basse
temperature di ingresso Ti del fluido nella piastra, e
viceversa.
• Per bassi valori dell’irraggiamento solare l’efficienza resta
soddisfacente, purché ci si accontenti di temperature di
ingresso del fluido non elevate.
• E’ possibile utilizzare il collettore come preriscaldatore.
• Per una temperatura esterna di 10°C, una temperatura di
ingresso del fluido di 20°C ed un irraggiamento di 200
W/m2 °C (Δt/I β =0.05), corrisponde la stessa efficienza
che si ha quando Ti=60°C e I β =1000 W/m2

Posizionamento dei pannelli solari
• Orientamento
• L’orientamento dei pannelli solari deve essere previsto in modo da ricevere
la massima quantità di radiazione solare ⇔ aumento la resa dell’impianto
pannello ortogonale alla direzione dei raggi solari in ogni periodo dell’anno
⇓
ausilio di sistemi di inseguimento solare.
⇓
incidono notevolmente nei costi di installazione e manutenzione.
Soluzione non economica per l’utenza l
privata.
• Per i collettori piani vengono adottate installazioni di tipo fisso.
• Nota la latitudine del sito, l’inclinazione l
dei collettori viene determinata in
base al periodo di funzionamento previsto.

Posizionamento dei pannelli solari
• Solar angles (azimuth and
alitude) define skyspace, which
is the portion of the sky that a
collector must “see” to perform
effectively. It is this skyspace
that must be protected from
shading by trees, buildings,or
other obstructions
• The skyspace is measured in
azimuth and altitude.
Depending on the application,
a general recommendation for
latitudes of 40 degrees or less
can be a skyspace of 45
degrees azimuth east, and 45
degrees azimuth west:

Posizionamento dei pannelli solari
The altitude depends on the seasonal use. Here are some general recommendations:
Hot Water Heating:
Year-round -- use lowest winter and highest summer altitudeto determine skyspace
Space Heating:
Heating season only -- use lowest winter and medium spring/fall
altitude to determine skyspace.

Posizionamento dei pannelli solari
• Periodo estivo, con sole è più alto
sull’orizzonte, l’inclinazione
l
ottimale deve essere di circa
10°÷
°÷15° superiore alla latitudine
del luogo.
• Periodo invernale, la migliore
inclinazione è di 10°÷
°÷15° inferiore
alla latitudine.
• Funzionamento annuale
l’inclinazione ottimale è di circa
0.9 x φ
• Orientamento ottimale dei
collettori ⇔ Sud.
• Nelle zone caratterizzate da
foschie mattutine o nebbie
pomeridiane è consigliabile un
orientamento verso sud-ovest o
sud-est.
Soleggiamento annuo relativo per
un collettore orientato a Sud per
diversi valori dell’angolo di
inclinazione.

Posizionamento dei pannelli solari
Soleggiamento annuo relativo per un collettore inclinato di un angolo
i=0.9 x φ in per diversi valori dell’angolo azimutale ξ

Ombre

Rilievo dell’orizzonte

Ombreggiamento
• Le ombre proiettate dagli
ostacoli (edifici, alberi) sui
pannelli durante l’anno l
possono
essere valutate utilizzando i
diagrammi solari.
• L’ostacolo presenta un ingombro
azimutale verso est di 30° ed un
ingombro in altezza di 27°.
• Verso ovest si ha un ingombro
azimutale di 35° e in altezza di
34°.
• Riportando questi punti sul
diagramma dei percorsi solari si
delinea l’ombra l
prodotta
dall’ostacolo.( zona scura)

• La traiettoria del sole relativa
al 21 dicembre attraversa
tale zona: in tale periodo il
collettore risulta parzialmente
in ombra;
• il collettore rimane in ombra
dalle ore 9.30 alle ore 14.00.
• Nel periodo tra il 21 febbraio
e il 21 ottobre, per
qualunque ora del giorno, il
collettore non sarà soggetto
ad ombre proiettate
dall’ostacolo.
• Nel periodo dal 21 ottobre al
21 febbraio per alcune ore
della giornata, il collettore
sarà in ombra.
• (Visual Sun Chart )
Ombreggiamento

Distanza fra i pannelli solari
• E’ necessario determinare la
minima distanza tra le schiere al
fine di evitare che la prima schiera
possa ombreggiare le seguenti.
• Individuato il giorno in cui il sole
risulterà più basso sull’orizzonte, si
calcolano per ogni istante di luce, i
valori dell’angolo di altezza solare
e dell’angolo azimutale descritti
dal sole.

Dimensionamento di un impianto a
pannelli solari
• L’estensione della superficie di captazione costituisce la
fase cruciale della progettazione.
Per il dimensionamento dell’impianto
è necessario definire:
• i parametri caratteristici del pannello solare,
• il posizionamento i collettori
• valutare la radiazione incidente sulla superficie inclinata.
• la temperatura di lavoro dell’impianto
Per esigenze igienico-sanitarie sono richieste temperature
dell’acqua
intorno ai 45°C, , ( regolazione T < 50°c)
.
La superficie economicamente ottimale è quella che rende
minimo il costo annuale di gestione ed ammortamento
dell’impianto.

Metodo f-chartf
• Procedura di calcolo della superficie economicamente ottimale messo a punto
dai ricercatori dell’Universit
Università del Wisconsin: determina l’aliquota l
mensile di
energia coperta dall’impianto solare.
• La parte eccedente sarà coperta dall’impianto ausiliario di tipo convenzionale
• Il fabbisogno di energia per il riscaldamento dell’edificio edificio e agli usi igienico-
sanitari. può essere valutato, per ogni mese, con le seguente espressioni:
Cd =il coefficiente volumico di dispersione dell’edificio (W/m3°C);
– V = volume dell’edificio (m3);
– ti = temperatura fissata per gli ambienti interni (18÷20°C);
– ta = la temperatura media mensile dell’ambiente esterno (°C);
– h = il numero di ore giornaliere di funzionamento dell’impianto (h);
– ng = il numero di giorni del mese.

Metodo f-chartf
• Fabbisogno di mensile di energia per l’acqua l
calda sanitaria
Cp = calore specifico dell’acqua (1 kcal/kg°C);
l = consumo d’acqua per persona al giorno (l/persona);
p = numero di persone (persone);
t = il salto termico tra l’acqua calda e l’acqua di rete (in genere 30°C);
La somma dei due termini fornirà il fabbisogno mensile di energia E.

Metodo f-chartf
• Calcolo dei parametri X ed Y indicativi delle perdite e degli apporti
di calore sul collettore
A = fattore di qualità del collettore e dello scambiatore di calore;
S = superficie captante dei collettori al netto dell’intelaiatura e dei
supporti;
U = trasmittanza del collettore (W/m2°C);
(τα) = prodotto trasmissione-assorbimento;
I β = radiazione solare media mensile incidente sul collettore (kWh/m2).

Metodo f-chartf
• In funzione di X ed Y, si legge dal grafico la frazione di fabbisogno
mensile coperta dall’impianto solare f.
La frazione solare può calcolarsi tramite
relazioni analitiche
Per i sistemi ad acqua si ha:
f = 1.029 Y - 0.065 X - 0.245 Y 2 + 0.0018 X 2
+ 0.0215 Y 3
valida per:
0

Metodo f-chartf
• Il metodo ipotizza che il volume dell’accumulo, riferito all’unit
unità di superficie
captante, sia pari a 75 kg/m2.
• Se l’accumulo l
termico è differente si apportano delle correzioni ai valori
della X.
• Per i sistemi a liquido, se il serbatoio di accumulo ha un volume e specifico
(Msp
) differente, ma in ogni caso compreso tra 35.5 e 300 kg/m2, , si
corregge il valore della X con la seguente relazione:
Nei sistemi ad aria, si ipotizza invece un volume specifico Vsp di accumulo a
letto di pietre di 0.25 m3 di pietrisco per ogni m2 di collettore; va utilizzata la
seguente relazione per correggere il valore di X:

Metodo f-chartf
• Il grado di copertura annuale è dato dal
rapporto tra l’energia l
fornita dal sistema
solare e il fabbisogno complessivo
dell’edificio
edificio
Costo totale annuale che l’utente dovrà sostenere durante la vita
dell’impianto.
Ottenuto dalla somma della quota di ammortamento per l’acquisto e l’installazione
dei collettori, e la spesa annua sostenuta per il combustibile dell’impianto
ausiliario.
Questo costo va confrontato con quello che si sarebbe sostenuto con il solo
impianto termico convenzionale.

Valutazioni economiche
Il costo dell’impianto (ad integrazione) solare sarà pari a:
Il costo dell’impianto convenzionale sarà pari a:
a am = il tasso di ammortamento annuale;
Cpan = costo dei pannelli per unità di superficie
S = superficie dei pannelli (m 2 );
Crest = costo degli accessori dell’impianto solare ;
Cman = costo annuo di manutenzione dell’impianto convenzionale ;
Ccomb = costo unitario del combustibile (€/kg o €/m 3 );
η = rendimento medio dell’impianto convenzionale;
Pci = potere calorifico inferiore del combustibile che alimenta l’impianto
convenzionale

Valutazioni economiche
Il tasso di ammortamento si ottiene con la relazione:
Il costo dell’impianto convenzionale è costante,
Il costo dell’impianto ad integrazione solare è funzione della superficie di
pannelli installata.
La parte relativa all’acquisto dei pannelli aumenta al crescere della superficie
installata mentre, contemporaneamente, diminuisce l’aliquota dovuta al
combustibile dell’impianto ausiliario.
Calcolando il costo dell’impianto ad integrazione per differenti valori della
superficie di captazione, è possibile tracciare la curva di costo in funzione della
superficie.

Valutazioni economiche
Nell’ipotesi in cui, almeno per
una superficie, il costo
dell’impianto ad integrazione
solare
risulti inferiore al costo
dell’impianto convenzionale, vi
sarà convenienza economica
per l’investimento.
La configurazione ottimale sarà
quella che rende minimo il costo
annuale dell’impianto ad
integrazione o quella che rende
massimo il risparmio annuale.

Tipologie di impianto a pannelli solari
L’unità di accumulo del
calore assorbito dal fluido
termovettore costituita da
serbatoi di capacità
proporzionale alla superficie
captante di collettori solari.
Nel serbatoio di accumulo
sono presenti unità di
scambio termico che
trasferiscono il calore
all’impianto di riscaldamento
o all’acqua sanitaria.
L’unità di trasferimento dell’energia termica è costituita dalle tubazioni e dai
dispositivi per la regolazione ed il controllo dell’impianto (pompe di circolazione,
termostati, scambiatori di calore, centraline elettroniche).

Tipologie di impianto a pannelli solari
• A causa dell’aleatoriet
aleatorietà della radiazione solare, l’energia l
termica
prodotta dall’impianto solare risulta insufficiente al soddisfacimento
dei carichi termici. deve prevedersi un impianto ausiliario di
supporto, o, alimentato da fonti convenzionali.
In funzione del sistema di circolazione del fluido termovettore gli
impianti solari sono distinti in:
• impianti solari a circolazione naturale;
• impianti solari a circolazione forzata.
Nel I O caso Il sistema non necessita di sistemi di controllo poiché
risulta “autoregolante”.
Nel II O caso la circolazione del fluido avviene per opera della spinta
esercitata da una pompa idraulica azionata da un motore elettrico.

Tipologie di impianto a pannelli solari
• Occorre controllare il funzionamento in modo da consentire la circolazione
solo in presenza di energia utile:
• temperatura di uscita del fluido dal collettore ( (Tu
) più elevata quella di
ingresso ( (Ti) Ti) di una quantità ΔT> T>0,
per ( (Tu- Ti) ) < ΔT l’apporto energetico non compensa le perdite.
• Il controllo del funzionamento è affidato ad un termostato differenziale
provvisto di due sensori che rilevano le due temperature Tu e Ti.
• Se (Tu- Ti) > ΔT 1
circolazione.
viene azionata automaticamente la pompa di
• Il funzionamento continua fino a quando la differenza (Tu- Ti)>ΔT 2
,
con ΔT 2
< ΔT 1
per tenere conto dell’inerzia termica dell’impianto.
• In un impianto a circolazione forzata devono essere presenti altri dispositivi
di controllo e sicurezza:
valvola di ritegno (consente il moto del fluido in una sola direzione)
impedisce che a pompa spenta si instauri una circolazione naturale inversa.

Tipologie di impianto a pannelli solari
• Il principio di funzionamento può essere così riassunto:
1. Nell’attraversare i pannelli il fluido termovettore si porta ad una
temperatura superiore a quella di uscita dal serbatoio di accumulo.
2 . Il fluido termovettore cede calore all’acqua, acqua, all’interno del serbatoio di
accumulo, passando attraverso lo scambiatore di calore
3. Il fluido raffreddato torna ai pannelli, chiudendo in questo modo il ciclo.
Al ripetersi dei cicli aumenterà l’apporto energetico per l’acqua l
contenuta
nel serbatoio di accumulo.
Nell’impianto sono previsti due sistemi di integrazione per il riscaldamento
dell’acqua nel serbatoio di accumulo: uno elettrico, costituito da una
resistenza posta all’interno del serbatoio, ed uno convenzionale collegato
attraverso un secondo scambiatore.
D’inverno potrebbe essere conveniente utilizzare l’impianto l
solare come
preriscaldatore lasciando all’ausiliario ausiliario convenzionale il compito di fornire
l’energia energia termica mancante per il riscaldamento degli ambienti.
Nei sistemi a circolazione naturale, per garantire “l’effetto termosifone” è
necessario predisporre il serbatoio di accumulo al di sopra dei collettori;
deve essere inoltre ridotta al minimo la lunghezza del circuito idraulico in
modo da contenere le resistenze al moto.

Tipologie di impianto a pannelli solari
• I sistemi a circolazione forzata, a fronte della
complessità dovuta alla presenza dei dispositivi di
azionamento e controllo, presentano numerosi
vantaggi:
• nessuna limitazione riguardo alla posizione del
serbatoio di accumulo;
• diametri modesti per le tubazioni;
• rapide risposte alle variazioni dell’irraggiamento solare;
• possibilità di stabilire la velocità di circolazione del
fluido tale da rendere massima l’efficienza l
energetica;
• possibilità di soddisfare sia piccole che grandi utenze.

Tipologie di impianto a pannelli solari
• Produzione di acqua calda con
energia solare
• Se il ΔT T tra la temperatura collettori
ed la temperatura bollitore è
superiore a quella impostata nella
regolazione , viene inserita la pompa
circuito solare ed il bollitore si riscalda.
• E’ possibile, mediante la regolazione
elettronica della temperatura, limitare
la temperatura nel bollitore.
• Produzione di acqua calda
sanitaria senza energia solare
• La parte superiore del bollitore viene
riscaldata dalla caldaia.
• La regolazione temperatura bollitore,
alla quale è collegato il sensore
temperatura della regolazione circuito
di caldaia, inserisce la pompa di carico
bollitore
Impianto a due circuiti, composto da:
- impianto a collettori solari
– caldaia a gasolio/gas
– un bollitore bivalente

Tipologie di impianto a pannelli solari
• Produzione di acqua calda con
energia solare
• Se la differenza di temperatura tra il
sensore temperatura collettori ed il
sensore temperatura bollitore è
superiore al valore impostato dal
regolatore di temperatura , il bollitore
A viene riscaldato dal circuito solare.
• Non appena il bollitore A raggiunge un
livello di temperatura..superiore a
quello del bollitore B, la pompa di
ricircolo .viene inserita dalla seconda
regolazione della temperatura
differenziale. In questo modo anche il
bollitore B viene riscaldato tramite
energia solare.
• Produzione di acqua calda
sanitaria senza energia solare
• Il bollitore B – vedi esempio 1 – viene
riscaldato dalla caldaia se la
temperatura rilevata dal sensore
temperatura bollitore .risulta inferiore
al valore della temperatura acqua
calda impostato.
Impianto a due circuiti, composto da:
– impianto a collettori solari
– caldaia a gasolio/gas
– due bollitori

Tipologie di impianto a pannelli solari

Concentratori
• Sfruttano la sola radiazione diretta tramite dei dispositivi che
mantenengono in ogni istante la superficie riflettente ortogonale alla
direzione dei raggi solari.
• Sono composti da uno specchio o da lenti ottiche che concentrano i
raggi solari verso l’assorbitore l
in cui scorre il fluido termovettore.
• Si distinguono in sistemi
• ad immagine: riproducono l’immagine l
del sole sul piano focale,
• a non immagine: : concentrano casualmente i raggi solari
sull’assorbitore.
• I collettori ad immagine di tipo puntuale (concentratori parabolici) i) o
lineare e (CPL) , convergono i raggi solari nel punto focale o in un asse
passante per il fuoco.

Concentratori
• Concentratori non traccianti (A, B)
• riflettori a pareti piane per concentrare la
radiazione solare su un collettore piatto,
RC=2 – 3
• Concentratori traccianti (C, D, E)
• A canale parabolico: concentrano la
radiazione solare su una linea (di fuoco)
dove è localizzatol’assorbitore
assorbitore
(temperature fino a 350 °C).
• Richiedono inseguitore solare su
almeno un asse (attivazione diurna) e un
semplice aggiustamento stagionale
sull’altro asse
• Per T=250 – 500 °C richiesta cupola
riflettente sferica o paraboloidale
inseguimento solare su due assi
• Per T = 500 – 1000 °C: : un campo
largo di specchi piani orientabili
(eliostati) concentra la radiazione
solare su un ricevitore alla sommità di
una torre centrale (applicazioni
termoelettriche)

Sistema a concentratori
parabolici indipendenti
• Consistono in uno specchio
parabolico mobile per seguire il
moto del sole e riflettere i
raggi solari nel punto focale,
dove sono assorbiti dal
ricevitore.
• Il calore assorbito è trasferito
(a 750 °C) da un sistema
fluido-vapore
al motore-
generatore, ad esempio un
motore lineare tipo Stirling o a
ciclo Brayton.
• Le dimensioni dei singoli
moduli possono variare
nell’intervallo da 5 a 50 kW
elettrici.

Concentratori cilindro-parabolici
SEGS ( Solar Eletric Generating System)
sistemi ad immagine di tipo lineare, ad un
solo asse su cui focalizzano i raggi solari,
sono costituiti da una superficie riflettente
(paraboloide) e da un tubo ricevente
posizionato lungo la linea focale dei
concentratori (assorbitore), costituito da
una tubazione in rame o acciaio inox
dove scorre il fluido termovettore.
• Per ridurre le perdite per convezione e per favorire l’effetto l
serra, la
tubazione può essere posta all’interno di un tubo di vetro.
• I concentratori lineari parabolici ad inseguimento sono la tecnologia
di concentrazione solare più collaudata, con costi al kWh di 0,08 €.
• L’inseguimento infine può avvenire su due assi o su un asse (in tal t
caso l’assorbitore l
andrà orientato secondo la direzione est-ovest) .

Centrali solari
• Sistemi a torre, costituiti da:
a) campo specchi, formato da superfici
riflettenti che seguono il percorso del
sole (eliostati), e che concentrano
istante per istante i raggi solari verso
un ricevitore;
b) il ricevitore energetico (caldaia
puntuale), collocato su una torre posta
in posizione centrale rispetto al campo
specchi; dove l’energia viene
immagazzinata da un fluido, (i.e.
nitrato fuso), ha la funzione di
accumulo di energia
c) il sistema di conversione dell’energia
energia
termica prima in energia meccanica
(turbina a vapore) e successivamente
in energia elettrica (generatore
elettrico);
d) il sistema di regolazione per mantenere
gli specchi ortogonali alla radiazione
diretta. L’inseguimento L
può essere
attuato da un computer o da elementi
fotosensibili che, istante per istante,
misurano l’errore l
di orientamento del
singolo specchio .
La centrale "Solar Two" in California
Si produce del vapore (565 °C), allo
scopo di fare girare un turbogeneratore
elettrico.
.

Centrali solari

Ciclo Brayton ad aria calda
• L'energia termica solare può essere
usata per produrre corrente elettrica
tramite cicli termodinamici
convenzionali ( Rankine, lo Stirling e
il Brayton) Le torri solari sono adatte
alla produzione centralizzata di
energia per potenze da 100 a 200
MW elettrici. La scelta del ciclo e dei
fluidi di lavoro dipende dalla
temperatura realizzabile nel sistema
solare, che dipende essenzialmente
dal tipo di collettori utilizzati.
L'aria viene riscaldata attraverso la serpentina sino alla temperatura Tmax (aumento della
energia termica e del volume); quando il pistone del secondo cilindro è al punto morto
superiore, l’aria viene immessa nel cilindro attraverso la valvola D nella quantità tale da
avere, alla fine della successiva espansione adiabatica, in corrispondenza del punto morto
inferiore dello stesso cilindro, approssimativamente la pressione uguale a quella atmosferica;
alla fine dell’espansione la temperatura Te sarà inferiore di quella massima raggiunta nella
serpentina Tmax e superiore a quella iniziale dell'ambiente Ta.

Impianto sperimentale, Archimede, a Priolo
la potenza della parte solare sarà di 20 MW,
il costo sarà di 2.500 € al kWp.