Informazioni tecniche

Il pannello solare: come è fatto e come funziona 


Il collettore solare (o pannello solare termico) è composto da un radiatore/assorbitore – costruito di solito con un metallo come il rame, dalle buone capacità di conduzione – che è in grado di assorbire il calore dei raggi solari e trasferirlo al serbatoio d’acqua.

Il principio di funzionamento di un pannello solare termico può essere paragonato a quello che si verifica in una serra. Dei raggi solari incidenti la superficie vetrata solo una piccola parte viene riflessa, quella restante passa attraverso il vetro e viene assorbita da una piastra captante di colore nero. Quest’ultima, scaldandosi, rimette energia sotto forma di radiazione infrarossa, rispetto alla quale il vetro si comporta come se fosse opaco, trattenendola così al suo interno (effetto serra). In questo modo la temperatura del fluido vettore primario tende a riscaldarsi. Da quel momento il liquido si sposta nella serpentina verso il serbatoio secondo tre tipi diversi di circolazione: naturale, forzata o a svuotamento.

L'insolazione dipende dalla nuvolosità e dall'orientamento del pannello rispetto al sole e un pannello riceve più energia solare quando è orientato direttamente verso il sole. Il pannello fisso fornisce la migliore resa se orientato a sud ed è inclinato 10 gradi in meno rispetto alla latitudine del luogo se deve produrre acqua calda, 10 gradi in più se serve per il riscaldamento. L'Italia è un paese con un buon livello di irraggiamento, pari mediamente a 5-6 kwh/mq/giorno. Le condizioni di irraggiamento italiane sono molto favorevoli, anche se molto variabili lungo la penisola. A tale scopo si può effettuare una valutazione mediante misure dirette con gli appositi strumenti o usare le mappe isoradiative esistenti come l'Atlante Europeo della radiazione solare.

http://www.eumetsat.int/website/home/index.html

http://www.solaritaly.enea.it/CalcRggmmOrizz/Calcola.php

 
Tipologie di collettori

La qualità del collettore dipende dall’efficienza, cioè dalla capacità di convertire l’energia solare in energia termica. In termini tecnici si definisce efficienza di un collettore solare il rapporto fra l’energia (densità di energia) assorbita dal fluido termovettore e l’energia (densitàˆ di energia solare) incidente sulla sua superficie.

In riferimento ai vari tipi di pannelli ed alla loro efficienza possiamo così sintetizzare 

Tipo di pannelli

Prezzo ed efficienza

Condizioni di utilizzo

Indicazione

Scoperti

Bassi

Temperatura ambiente di almeno 20°C

Riscaldamento di piscine scoperte, acqua calda per docce stabilimenti balneari, campeggi, etc.

Vetrati

Intermedi

Da marzo a ottobre

Acqua calda per uso sanitario

Sottovuoto

Alti

Qualsiasi

Acqua calda per uso sanitario e pre-riscaldata per il riscaldamento invernale

 

 

1) Collettore Piano vetrato

Il pannello solare più utilizzato è quello vetrato che risulta essere così composto:

Una lastra di vetro trasparente, posta superiormente all'assorbitore, che permette il passaggio dei raggi solari. Il vetro in grado di resistere alla grandine (normalmente vengono testati con grandine di 25mm di diametro)

All’interno vi è un assorbitore della luce solare, costituito da una lastra simile ad un radiatore (che può essere in acciaio o in rame), all'interno della quale è inserito un fascio di tubi in cui scorre il liquido del circuito primario destinato ad essere riscaldato. Tale fluido è normalmente acqua addizionata con antigelo in modo da resistere al freddo invernale senza congelarsi.

L'assorbitore, scaldandosi, emette energia sotto forma di radiazione infrarossa: ma il vetro, nei confronti di queste radiazioni, attenua la dispersione all’esterno perché è opaco (effetto serra).

Nella parte sottostante del pannello è inserito un isolante termico (in fibra di vetro o in poliuretano espanso privo di CFC) che riduce le dispersioni di calore.

Il pannello è chiuso posteriormente da una scocca, spesso realizzata in lamiera.

* Intelaiatura termicamente isolata

Il tutto (vetro, assorbitore e fascio tubiero, isolante termico e scocca posteriore) è tenuto assieme da uno chassis che assembla le parti e conferisce al pannello robustezza e stabilità.


Collettore vetrato non selettivo:

A differenza di quelli selettivi, l’assorbitore è semplicemente verniciato di nero. Collettori di prima generazione, sono composti da una camera isolata ricavata tra un vetro temperato direttamente esposto al sole e una scocca posteriore coibentata. All’interno del pannello solare è inserito un assorbitore metallico annerito, in modo tale da aumentarne l’efficienza.

Questo tipo di pannello solare rappresenta la soluzione più economica e la più diffusa per le abitazioni estive o per le zone del centro-sud che godono di abbondante insolazione.


Collettori solari vetrati a piastra selettiva

L'assorbitore subisce un trattamento elettro-chimico sottovuoto o per pigmentazione in modo da ottenere una superficie con alto coefficiente di assorbimento e basso coefficiente di riflessione fino ad una temperatura di 140° C.

Il trattamento elettrochimico consiste generalmente in un deposito di cromo nero su nickel, quello sottovuoto mediante vapori di ossido di titanio, quello per pigmentazione attraverso vernici metalliche. La riduzione della riflessione della radiazione incidente permette la riduzione di perdite di calore ad essa connessa, quindi questi pannelli hanno un maggior rendimento rispetti ai pannelli tradizionali, ed hanno un costo più elevato di circa il 10% rispetto agli altri pannelli .Hanno il vantaggio di poter lavorare meglio nei periodi più freddi e meno assolati. Per questo motivo possono essere utilizzati anche in integrazione con il sistema di riscaldamento.


2) I pannelli scoperti (non vetrati)

non hanno la copertura, né l’isolamento e la scatola di contenimento. Sono realizzati in materiale plastico (polipropilene, neoprene , PVC) di colore nero per facilitare l’assorbimento del calore e composti da un fascio di tubi all’interno dei quali passa l’acqua dove viene riscaldata direttamente dai raggi solari prima di essere utilizzata.
Funzionano con una temperatura ambiente di almeno 20°C (al di sotto il bilancio tra energia accumulata ed energia dispersa è sfavorevole), e la temperatura massima dell’acqua non supera i 40°C.

Per la semplicità della struttura hanno un prezzo più basso rispetto agli altri collettori , ma il rendimento è più basso, per questo il suo utilizzo è consigliato all’uso prettamente estivo per piscine, strutture alberghiere, stabilimenti balneari.


3) A tubi sottovuoto
 

Sono composti da una schiera di tubi sottovuoto in vetro, ognuno contenente un assorbitore (generalmente una piastra rame) che assorbe l'energia solare e la trasferisce ad un fluido che trasporta il calore. Grazie alle proprietà isolanti dello spazio vuoto , le perdite di calore per conduzione da parte dell’assorbitore sono molto basse e si possono raggiungere temperature di circa 100°C al di sopra della temperatura dell'ambiente.

 

I pannelli sottovuoto sono di più complessa e costosa realizzazione rispetto ai pannelli piani e sono meno resistenti rispetto a questi ultimi, allo stesso tempo però hanno un elevato rendimento grazie alle basse dispersioni di energia ottenute con l'impiego dei condotti sottovuoto. Questa tecnologia si presta particolarmente per l'impiego in località a bassa insolazione oppure per applicazioni in cui si richiedono elevate temperature (come per esempio il riscaldamento di ambienti) Hanno un ottimo rendimento in tutti i mesi dell'anno e sono adatti ad essere installati anche in condizioni climatiche molto rigide (basse temperature ambientali, gelo).


4) Collettori solari a concentrazione

Sono collettori concavi progettati per ottimizzare la concentrazione dell’energia solare in un punto ben determinato (fuoco). Sono efficaci solo con luce solare diretta poiché devono seguire il movimento del sole.

Questo tipo di collettore, potendo raggiungere alte temperature (400-600°), vengono utilizzati per generatori solari o centrali elettro-solari

Gli impianti con collettori solari a concentrazione, chiamati “solare termodinamico” ,non sono impianti solari termici puri e comunque sono attuabili in installazioni di grandi dimensioni e poco adatte a contesti civili e industriali di medio piccole dimensioni.

 
5) Pannelli solari vetrati con aria calda

I pannelli ad aria sono pannelli solari termici normalmente di tipo vetrato che fanno circolare al loro interno aria anziché acqua. Qui, invece dei tubi che permettono la circolazione del fluido vettore, vi è dell’aria che circola tra vetro e assorbitore e tra assorbitore e fondo del pannello.

L’aria calda trasferisce poi il suo calore all’acqua sanitaria, producendo quantità di acqua calda direttamente proporzionali alla superficie del pannello.

Questi pannelli sono studiati in modo tale che l'aria permanga più tempo possibile nel pannello solare poiché scambia più difficilmente il calore rispetto all'acqua. Può essere presente un serbatoio di accumulo integrato, particolarmente indicato per le località con un clima assai rigido. Un tipo particolare di pannelli solari ad aria sono i pannelli di rivestimento, usati per la normale finitura delle pareti di tamponamento esterne di edifici sia civili che industriali: questi non sono vetrati ma costituiti da una superficie esterna a cassa metallica che funge da scambiatore e riscalda l'aria passante all'interno del pannello, che si può immettere negli ambienti con un apposito sistema di aspirazione.


6) Pannelli con serbatoio integrato

Nei pannelli con serbatoio integrato l’assorbitore di calore ed il serbatoio di accumulo sono contenuti in un unico blocco e l’energia solare giunge direttamente a scaldare l’acqua accumulata. Il serbatoio, dunque, è fisicamente è ricoperto dall’assorbitore e, in genere, al suo interno è presente una resistenza che può riscaldare l’acqua in caso di assenza prolungata del Sole. Per effetto del principio che l’acqua calda tende a salire e quella fredda a scendere si viene a creare così all’interno del serbatoio un moto cosiddetto convettivo che distribuisce il calore captato a tutta la massa d’acqua. I pannelli con serbatoio integrato sono in genere consigliabili per quelle zone che non sono troppo fredde e che non hanno inverni troppo lunghi e rigidi. Infatti, per la loro struttura, con l’abbassarsi delle temperature l’acqua all’interno del pannello rischia di congelarsi danneggiando gravemente l’impianto. Facili da trasportare e da montare, questi pannelli solari hanno un costo relativamente basso e sono perfetti per gli usi termici per una casa di vacanza estiva. Sono comunque disponibili sul mercato anche sistemi compatti adatti per ogni condizione climatica.

 

Sistemi d’impianto


Circolazione naturale (a termosifone)

In questo sistema Il fluido termovettore che circola all’interno del collettore riscaldandosi nel pannello a contatto con la piastra sottoposta a radiazione solare, diminuisce la densità e quindi il proprio peso e tende a salire (sfruttando il principio di gravità e il principio di convenzione) in un serbatoio di accumulo (boiler) che deve essere appunto posto più in alto del pannello, facendo posto al fluido più freddo all’interno del collettore. Un dispositivo del genere, in altre parole, si auto-regola ottimizzando naturalmente la circolazione del fluido per un efficiente funzionamento. Si chiama a circolazione naturale appunto perché non ci sono meccanismi addetti al trasferimento del liquido al boiler, dove avviene lo scambio termico con l’acqua sanitaria che viene distribuita alle utenze domestiche. Una volta rilasciato il calore , il liquido termoconvettore ricade nel punto più basso del circuito del pannello solare.

In questo modo non sono possibili circolazioni inverse poiché il calore rimane sempre più alto. Si tratta del principio fisico sfruttato nei termosifoni a spinta naturale. 

Il collettore piano è connesso in un circuito chiuso con un serbatoio termicamente isolato destinato all’accumulo dell’acqua calda. Negli impianti ascambio diretto l’acqua scambiata è la stessa che viene riscaldata nei collettori per poi risalire per termosifone nell’accumulatore da cui verrà prelevata per l’utilizzo.

In quelli a scambio indiretto, un fluido (glicole ed acqua demineralizzata) si riscalda nei pannelli solari e sempre “per termosifone” circola in uno scambiatore posto all’interno del serbatoio in cui è accumulata l’acqua calda.

L’applicazione tipica della circolazione naturale è la produzione di acqua calda per uso sanitario. Un impianto per la produzione Acqua Calda Sanitaria a circolazione naturale per unità abitativa ha in media una superficie di 2-5m2 di collettori ed un serbatoio di 100-200 litri.

Vantaggi: si tratta di un sistema semplice , affidabile e facile da installare, serve solo il collegamento con l’acqua fredda in entrata e la tubazione dell’acqua calda in uscita. Non ci sono pompe, né sistemi elettronici di controllo e quindi non ci sono collegamenti e consumi elettrici. Ha una manutenzione ridotta al minimo. Questa tipologia d’impianto è economica.

Svantaggi: impianto caratterizzato da un’elevata dispersione termica che ne riduce l’efficienza, se esposto a temperature basse.

Dunque è consigliata l’installazione in paesi caldi o per attività o abitazioni estive di piccola dimensione. Inoltre il boiler esterno ha capacità limitate è un peso sul tetto e può incidere sulla sua tenuta strutturale ed ha un impatto estetico notevole.

 

Circolazione forzata

I componenti di un impianto di questo tipo sono:

  • collettore solare
  • serbatoio di accumulo/scambiatori
  • termostato differenziale o centralina
  • sonde di temperatura
  • pompa di circolazione
  • vaso di espansione
  • scambiatore di calore
  • valvole

In questo tipo d’impianti il serbatoio è montato separatamente dal pannello solare e collegato ad esso attraverso un circuito. All’interno del circuito si trova acqua o un fluido termovettore (glicole propilenico) antigelo che è spinto da una pompa (detta circolatore) messa in moto da una centralina elettronica in grado di rilevare la temperatura dell’acqua mediante apposite sonde e che fa partire la pompa quando al temperatura all’interno del collettore è superiore alla temperatura impostata nel serbatoio di accumulo. In questo modo si ha la garanzia che l’impianto funzioni solo quando è in grado di fornire realmente energia termica e soprattutto si evita che attraverso i collettori, in mancanza di soleggiamento, venga dispersa l’energia termica accumulata. Il fluido trasferisce il calore dai pannelli solari all’acqua del serbatoio di accumulo e ceduto all’acqua sanitaria mediante uno scambiatore di calore. Quindi nel serbatoio si trovano due circuiti idraulici separati: quello primario del pannello, in cui circola il liquido riscaldato dal sole e quello secondario in cui circola acqua sanitaria e che é collegato all'impianto idraulico di casa. Un impianto solare combinato per il riscaldamento utilizza un sistema chiuso, mentre un impianto solare combinato per il riscaldamento dell’acqua della piscina può utilizzare un sistema aperto oltre che chiuso.

In inverno, quando per scarsa insolazione l’impianto solare non ce la fa a riscaldare l’acqua, la parte del serbatoio che contiene acqua calda a pronta disposizione, può essere riscaldata da uno scambiatore di calore legato ad una caldaia . Il riscaldamento ausiliario viene comandato da un termostato quando nel serbatoio la temperatura dell’acqua nella parte a pronta disposizione scende al di sotto della temperatura nominale desiderata I serbatoi di accumulo hanno in genere una doppia serpentina: quella posizionata in basso è collegata al circuito solare (all’interno del quale circola una miscela di acqua con antigelo), mentre quella posizionata in alto è collegata alla caldaia. Se l’impianto solare non è in grado di portare l’acqua alla temperatura desiderata (circa 40 °C), il calore fornito dalla caldaia attraverso la serpentina (sistema ausiliario) garantisce all’utenza la giusta integrazione.

In questo tipo di impianti il circuito è più complesso e prevede un vaso di espansione, un controllo della temperatura ed altri componenti.

La dimensione ottimale dell'accumulatore consente di soddisfare al meglio le esigenze della famiglia e dipende dalle condizioni climatiche, dal tipo di richiesta dell'energia e da condizioni di carattere economico. Se si tengono presenti sia gli aspetti tecnici che economici il campo dei valori ottimali è generalmente compreso tra i 50 e i 100 lt per mq di area captante. Oltre al dimensionamento, l'isolamento del boiler costituisce un fattore importante nel buon funzionamento del sistema in quanto, riducendo l'energia dispersa, aumenta quella disponibile all'utenza. L’ isolamento dei bollitori è particolarmente importante se sono esterni come succede negli impianti a circolazione naturale. Un impianto per acs a circolazione forzata per unità abitativa ha in media una superficie di 3-6 m2 ed un serbatoio di 150-400 litri

Vantaggi

Maggiore efficienza termica rispetto a quello a circolazione naturale in quanto il serbatoio di accumulo è posto all’interno dell’abitazione od interrato, e quindi non è soggetto a dispersione termica la notte o in condizioni climatiche fredde, nonostante i costi di energia dovuti all’uso della pompa

Maggiore integrazione architettonica

Questo sistema può integrare il riscaldamento ambientale, con conseguente risparmio sulla bolletta energetica.

Vantaggioso per la produzione di elevate quantità di acqua calda e quindi per attività alberghiere, centri sportivi, case di riposo ecc-

Gli svantaggi sono relativi alla maggiore complessità, maggior costo e necessità di manutenzione rispetto a quello a circolazione naturale

Circolazione a svuotamento

La circolazione a svuotamento è simile a quella forzata, con la differenza che l’impianto si riempie solo quando è possibile o necessario, ossia quando c’è il sole o quando il serbatoio non ha raggiunto la temperatura desiderata. Negli altri casi, l’impianto rimane a riposo. La pompa poi lo svuota se non c’è luce o se si è raggiunta la temperatura di accumulo voluta.

GUIDA AL SOLARE TERMICO

 

 

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