L'ENERGIA SOLARE

ENERGIA SOLARE CHE GIUNGE SULLA TERRA

La radiazione solare che giunge sulla terra è caratterizzata da onde di lunghezza compresa tra circa 0,2 e 3 µm (micrometri, cioè milionesimi di metro). l'occhio umano percepisce come luce solo le radiazioni con lunghezza d'onda compresa mediamente tra 0,38 e 0,76 µm.
Le onde di lunghezza inferiore a 0,38 µm sono denominate ultraviolette, quelle di lunghezza superiore a 0,76 µm sono dette infrarosse.
La potenza della radiazione solare incide su una superficie ad essa perpendicolare, posta al di fuori dell'atmosfera terrestre, è praticamente costante ed è pari a 1,35 KW/m² (chilowatt al m²); detta potenza è chiamata costante solare. L'entità di energia solare che giunge sulla terra varia principalmente in funzione della latitudine del luogo (massima all'equatore, minima ai poli) a causa della differente inclinazione con cui giungono al suolo i raggi solari.
A maggiore inclinazione corrisponde uno spessore maggiore di atmosfera attraversata e quindi una minore intensità solare al suolo. L'entità di energia solare (KW/m²) che giunge sulla terra varia anche in funzione delle condizioni atmosferiche (nuvolosità).

L'ATMOSFERA TERRESTRE

L'atmosfera terrestre funge da filtro ai raggi solari e ne riduce in modo apprezzabile l'intensità con cui giungono al suolo. Si considera pari a 1 KW/m² la potenza solare massima captabile da una superficie al livello del suolo, perpendicolare ai raggi solari, per sole allo zenit ed in condizioni di atmosfera perfettamente limpida.
Fuori dall'atmosfera la radiazione solare su una superficie perpendicolare alla radiazione è di circa 1,4 KW/m².
Sulla superficie terrestre la radiazione solare su una superficie perpendicolare alla radiazione minore o uguale a 1KW/m².

CONVERSIONE DELL'ENERGIA SOLARE IN CALORE

Vi sono vari sistemi di captazione che permettono di ottenere tale trasformazione a differenti valori di temperatura.
Alte temperature (oltre 500 °C) si ottengono concentrando con eliostati i raggi solari su una caldaia. Gli eliostati sono specchi che, a mezzo di un sofisticato sistema, inseguono automaticamente il sole nel suo moto apparente intorno alla terra. Questo sistema, molto complesso, viene oggi impiegato esclusivamente nelle centrali eliotermoelettriche.
Medie termperature (100 - 300 °C) si possono ottenere facendo ricorso ad un sistema più semplice che utilizza specchi del tipo cilindrico parabolico che ruotano intorno ad un solo asse. Tali temperature permettono il funzionamento di motori solari con un soddisfacente rendimento; vengono impiegati per azionare compressori, pompe per il sollevamento dell'acqua e simili.
Il calore a bassa temperatura (inferiore a 100 °C), del cui impiego intendiamo essenzialmente parlare, si ottiene con i collettori piani, denominati anche collettori senza concentrazione. Il loro impiego è indirizzato prevalentemente alla produzione di acqua calda (per uso civile, agricolo, industriale) o di aria calda (per riscaldamento di ambienti).
Oltre alla radiazione diretta, i collettori piani convertono in calore anche la radiazione diffusa. Quest'ultima non è trascurabile raggiungendo anche il 20 % di quella diretta in giornate serene (quindi con un massimo teorico di 200 W/m²), ed arrivando a valori anche superiori in una giornata di cielo coperto.

Irradiazione giornaliera totale alla latitudine 40° Nord

1 superficie perpendicolare alla radiazione solare

4 superficie con inclinazione eguale alla latitudine

6 superficie inclinata di 20° in più della latitudine

TIPI DI CIRCUITO IDRAULICO

I circuiti possono essere del tipo diretto o indiretto. Nel circuito diretto il fluido vettore è lo stesso di quello di utilizzazione. Il circuito è unico. Si tratta di impianto semplice ed economico.
Nel circuito indiretto il fluido vettore cede calore a quello di utilizzazione in uno scambiatore. Vi sono così due distinti circuiti idraulici. Nelle località dove esiste la possibilità di congelamento dell'acqua circolante nel collettore la scelta è limitata al circuito indiretto, che è il solo a consentire il ricorso a miscele anticongelanti oltre che atte ad evitare incrostazioni. Il circuito indiretto si presta inoltre ad una più precisa regolazione al fine della migliore utilizzazione dell'energia solare captata.
Per tali motivi si sceglie, nella maggior parte dei casi, la soluzione del circuito indiretto, benché risulti più complessa e costosa. Per quanto concerne la circolazione del fluido vettore, essa può essere:

• naturale (o a termosifone) per differenza di densità fra colonna ascendente e quella discendente (in tal caso l'accumulatore deve essere ad altezza superiore rispetto al collettore).
• forzata, a mezzo di pompa di circolazione (più propriamente detta "circolatore").

SCHEMI DI PRINCIPIO DELL'IMPIANTO

Gli impianti a circuito idraulico indiretto possono essere realizzati secondo due schemi fondamentali.
Nello schema (a) lo scambiatore è posto nel serbatoio di accumulo dal quale si preleva l'acqua calda per l'utilizzazione.
Nello schema (b) lo scambiatore è invece collocato in un contenitore distinto, dove l'acqua viene preriscaldata prima di essere immessa nello scaldacqua tradizionale.
Il primo sistema è più semplice e meno costoso del secondo, il quale però consente l'utilizzazione di una quota maggiore dell'energia solare captata. Infatti la trasmissione del calore dal fluido vettore all'acqua avviene soltanto se la temperatura di quest'ultima è inferiore: tale circostanza si verifica più frequentemente nel sistema (b), dato che l'acqua preriscaldata può avere anche una temperatura di poco superiore a quella dell'acquedotto e non vincolata alla temperatura richiesta dall'utilizzazione (35-50 °C). Si comprende pertanto come lo schema (b) consenta di fruire anche dell'energia termica captata dal collettore nelle condizioni atmosferiche meno favorevoli (cielo nuvoloso, ore meno calde del giorno).

PANNELLI SOLARI: BILANCIO TERMICO

In · Ac · TETA · ALFA = qut + qp

Iu [W/m²] componente normale del flusso solare incidente sulla superficie del collettore
Ac [m²] superficie utile del collettore
TETA coefficiente di trasmissione della copertura trasparente
ALFA coefficiente di assorbimento della piastra captante
qut [W] calore trasferito dal collettore al fluido termovettore
qp [W] calore disperso verso l'ambiente

COLLETTORI SOLARI PER LA PRODUZIONE DELL'ACQUA CALDA

L'ACQUA CALDA GRATIS: "CATTURIAMO" IL SOLE

Quella dei collettori solari per il riscaldamento dell'acqua è una tecnologia, a tutti nota ma ancora, almeno nel nostro Paese, poco utilizzata.
Si tratta, tuttavia, di un sistema che, negli ultimi anni, ha raggiounto livelli di durata e affidabilità certamente paragonabili a quelli degli altri impianti convenzionali, scaldabagno elettrico e caldaietta a gas.
Anche dal punto di vista dei costi, in considerazione di un discreto abbassamento dei prezzi, il sistema si propone ormai come valida e conveniente alternativa agli impianti tradizionali ed in particolare al boiler elettrico, dato un costo del KWh che, come visto, può in certi casi sfiorare le 700 lire.
La possibilità di un abbattimento dei costi del 41% rende l'intervento davvero da non perdere. Tenendo presenti alcune ovvie limitazioni e semplici accorgimenti, in molte abitazioni si può utilizzare lo scalda acqua solare per soddisfare una considerevole parte del fabbisogno annuale e beneficiare di sensibili riduzioni della bolletta energetica. Il funzionamento è fra i più semplici ed ecologici: i collettori solari "intrappolano", per così dire, l'energia proveniente dal sole e la accumulano, riscaldando dell'acqua ad una temperatura compresa fra i 40 °C ed i 70 °C.
A queste temperature l'acqua può essere utilizzata, nel campo civile, per la produzione dell'acqua calda senitaria necessaria in casa, per il riscaldamento di piscine, o anche per il preriscaldamento o l'integrazione di impianti di riscaldamento degli ambienti.
In quest'ultimo caso, l'accoppiamento ai normali sistemi radianti a serpentina, disposta sotto il pavimento, a soffitto o anche a parete, può rendere davvero significativo il contributo solare al raggiungimento in casa della temperatura di comfort. Visti anche i costi dell'inverno, in fase di ristrutturazione di un edificio, l'installazione di un impianto solare di riscaldamento invernale è da considerare con molta attenzione.
Fornire col sole l'energia per riscaldare una struttura edilizia, convenzionale dal punto di vista della progettazione energetica, implica l'adozione di tutti quei provvedimenti atti a limitarne le dispersioni termiche e a sfruttare gli altri contributi solari passivi. Tutto ciò, come si intuisce, risulta di più semplice ed economica realizzazione solo in fase di prima costruzione di un edificio.
Un sistema solare per la produzione d'acqua calda sanitaria, nella forma più comune, è composto da uno o più collettori, pannelli piani della superficie di 1 - 2 m² opaca e scura, per meglio assorbire la radiazione solare e trasferire il calore al fluido che scorre in appositi canali interni al pannello e da un serbatoio d'accumulo dell'acqua calda. Il collettore è normalmente fornito di una copertura trasparente che lascia filtrare la luce solare ma "introppola" la radiazione infrarossa riemessa dal pannello. L'acqua dell'impianto solare può essere direttamente utilizzata. Anche nelle giornate invernali in cui l'insolazione è insufficiente e la temperatura dell'acqua non raggiunge i valori ottimali i collettori garantiscono, comunque, un risparmio di energia. L'acqua del serbatoio avrà, infatti, una temperatura superiore a quella dell'acqua corrente e per renderla utilizzabile consumeremo meno energia. Proprio a motivo di ciò, il serbatoio d'accumulo è provvisto, in molti casi, di una resistenza elettrica che, solo in caso di necessità, si attiva automaticamente nelle giornate più fredde o nuvolose.
In ogni caso il collegamento idraulico dell'impianto a collettori a boiler elettrico o alle comuni caldaie monofamiliari o condominiali, ci assicurerà l'eventuale integrazione.

COLLETTORI PER USO ESTIVO

Le soluzioni tecniche ed impiantistiche sono numerose e rendono gli impianti a collettori solari di semplice installazione adattabili alle diverse esigenze. In commercio si trovano sistemi a colletori scoperti (strisce in polipropilene prive di copertura trasparente, collettori copri falda) o integrati (sistemi in cui il collettore fa anche da serbatoio), per un uso prevalentemente estivo e diurno o per riscaldamento dell'acqua di una piscina. Se possediamo una casa al mare, che utilizziamo due o tre mesi, tenuto conto dello sgravio IRPEF, conviene certamente l'installazione di tali sistemi in sostituzione del boiler elettrico.

Come riportato nella tabella precedente, i costi di questi tipi di impianto sono abbastanza bassi ed è possibile realizzarli col "Fai da te".
Si va dalle 700.000 lire a 1,4 milioni di lire, con accumuli da 100 - 150 litri e pompa di circolazione ed eventuale connessione al boiler elettrico da utilizzare soltanto nei Week-end autunnali. La produzione di un impianto di queste dimensioni è di circa 200 - 300 litri al giorno di acqua calda. Considerato un costo dell'energia elettrica, alle tariffedella seconda casa, di 357 lire/KWh, nel caso di nuclei familiari di 3 -5 persone e di un periodo d'utilizzo compreso trai 2 e i 4 mesi l'anno, con il 41 % d'abbattimento IRPEF l'impianto si ripaga in 3 - 4 anni. Anche nei condomini, dove sono disponibili ampie terrazze di copertura, la semplicità d'installazione e lo sconto fiscale rendono questa soluzione sicuramente interessante se non addirittura irrinunciabile, nei casi in cui la produzione dell'acqua calda sia già centralizzata.

COLLETTORI PER USO ANNUALE

Per un'utilizzazione annuale useremo, invece, i sistemi ad elementi (collettore-sebatoio) separati a circolazione sia naturale che forzata o i sistemi, ed è il caso più comune, compatti (monoblocco) nei quali il collettore ed il serbatoio sono distinti ma assemblati in un unico telaio che fa supporto.In questi ultimi sistemi l'acqua sanitaria, presente nel serbatoio situato nella parte alta del monoblocco, viene riscaldata, attraverso una serpentina, dal liquido che, per moto naturale a termosifone, senza bisogno di pompe, circola continuamente fra collettori e serbatoio d'accumulo del calore. Questa separazionedei due fluidi consente l'impiego, nel circuito dei collettori, di una soluzione antigelo d'acqua e glicole che, cosa importantissima, protegge i collettori dai depositi di calore e dalle ossidazioni od occlusioni che il passaggio diretto dell'acqua di casa causava nei primi scaldacqua solari installati negli anni 70.
I sistemi compatti sul mercato hanno superfici captanti che vanno da 1 a 4 m² e serbatoi di capacità compresa fra i 100 e i 300 litri. Sono modulari (si possono collegare insieme per formare sistemi più grandi) e normalmente forniti completi di Kit - "Fai da te", comprendenti supporti metallici, staffe e raccordi, per l'installazione ed il collegamento idraulico.
Gli impianti possono essere unifamiliari o anche condominiali. In particolare nei condomini in cui la distribuzione dell'acqua calda sanitaria sia già centralizzata e specie quando l'acqua calda sia prodotta dalla stessa grande caldaia dell'impianto termico invernale (in estate la caldaia sarà costretta a funzionare a bassissimi rendimenti), l'installazione di impianti solari può risultare più che mai semplice e conveniente.
Gli impianti si possono installare nei terazzi, in giardino e, nel rispetto di eventuali vincoli urbanistici, anche in verticale su muri esterni (uso invernale) e anche sui tetti a falde e con tegole. Importantissime in ogni caso l'esposizione a sud dei collettori e l'assenza d'ombre create da altri edifici, da vegetazione o da montagne.
Gli elementi da consesiderare per orientare la scelta del sistema sono:

• Utilizzo:(permanente - stagionale);
• Clima (possibilità di gelate, presenza di vento);
• Vincoli d'installazione (spazi disponibili, disposizioni urbanistiche, limitazione costruttive);
• Rivenditore (garanzia, servizio d'assistenza tecnica)

REGOLE PRATICHE PER L'INSTALLAZIONE

• Orientamento dei collettori: pieno sud, ove ciò risultasse impossibile, sono accettabili scostamenti, ad est od ovest, di 15- 20 gradi;
• Inclinazione dei collettori rispetto all'orizzontale: per un impiego annuale del collettore deve essere pari alla latitudine del luogo (variabile dai 37° gradi di Ragusa ai 46° di gradi di Bolzano); Inclinazioni minori sono tollerabili (da 25 a 30 gradi) per ragioni architettoniche o addirittura consigliate nel caso di impieghi prevalentemente estivi nel qual caso l'inclinazione è da ridurre di 15 gradi. Nel caso d'uso prevalente invernale dell'acqua calda sanitaria l'inclinazione va aumentata di 15 gradi, mentre nel caso di collettori per il riscaldamento degli ambienti, sono richieste inclinazioni anche maggiori (fino a 60 70 gradi).
• Distanza dal punto d'utilizzo: la minore possibile, per ridurre le perdite termiche nei tubi di collegamento che, in ogni caso, devono essre ben coibentati.
• Altro: facilità d'accesso per la pulizia e la manutenzione, favorevole la presenza d'ostacoli al vento che non creino ombre (muretti, vetrate)

INDIVIDUAZIONE DELLA TAGLIA

Il dimensionamento ottimale di un impianto si effettua in base a:

• fabbisogno medio giornaliero d'acqua calda;
• condizioni d'irraggiamento locale (latitudine, necessità di uno scostamento dell'orientamento dei collettori dalla direzione sud, altitudine e temperatura media del posto, brevi periodi d'ombra);
• caratteristiche d'impianto.

Sulla base dell'esperienza acquisita in questi anni e del numero di impianti installati in tutta l'Europa, le ditte costruttrici hanno ormai individuato le dimensioni di più largo impiego per collettori e serbatoi d'accumulo e gli installatori sono in grado di adattare al meglio gli impianti alle esigenze dell'utenza.
Per una prima individuazione della taglia dell'impianto e quindi dei costi, si è ritenuto utile riportare nella tabella che segue alcuni valori indicativi che possono aiutare nella scelta del sistema compatto adatto alle nostre esigenze. I dati sono stati calcolati sulla base di un consumo giornaliero stimato di 60 - 70 litri d'acqua calda a 45 °C per persona.

Per l'individuazione della capacità del serbatoio d'accumulo si possono prevedere dai 50 a 60 litri per persona.

PRESTAZIONI

Gli impianti attuali, con davvero piccole attenzioni e manutenzioni possono superare i 15 anni di vita.
Le deludenti prestazioni dei primi sistemi artigianali installati negli anni 70 hanno creato, almeno in Italia, un clima di sfiducia verso gli impianti solari. Come sempre, però, l'esperienza accumulata gli accorgimenti tecnici, la magliore qualità dei materiali utilizzati e delle tecniche di lavorazione hanno fatto sì che la durata media dei sistemi solari sia ormai quasi triplicata rispetto a quella dei primi sistemi.
Una conferma di ciò arriva dai paesi del centro e del nord Europa nei quali, nonostante condizioni climatiche meno generose delle nostre e quindi maggiori tempi di ritorno dei costi degl'impianti, il mercato del solare ha avuto in questi anni una rapida crescita. Facciamo qualche conto e vediamo perchè.
Nell'arco dell'anno, con uno scalda acqua solare ben dimensionato ed evitando, cosa che andrebbe fatta in ogni caso, inutili sprechi d'acqua si può, con facilità, risparmiare dal 50 al 70 % e più, del costo dell'energia necessaria alla produzione dell'acqua calda sanitaria.
Il risparmio corrispondente, in termini d'energia elettrica richiesta da un comune scaldabagno elettrico, o di metano consumato da una caldaia, si può stimare con l'aiuto della seguente tabella.

(¹) Rendimento complessivo dello scaldabagno elettrico con accumulo: 85-90%
(²) Rendimento medio di produzione della caldaia istantanea a metano: 70-80%
(³) Rendimento medio annuale di produzione della caldaia a metano centralizzata: 50-60%

Per un calcolo del ritorno economico che ogni anno avremo in seguito all'installazione di uno scaldacqua solare, con i riferimenti riportati nel quadro che segue, i conti si fanno presto.

(¹) Costo medio dell'energia elettrica utilizzato per il calcolo: 350lire/KWh
(²) Costo del metano 1100 - 1300 lire/m³

Bibliografia:Atti della Conferenza dell'Energia-Cometta,casa ed.Delfino,l'Energia Solare

COSTO E CONVENIENZA

Il costo medio degl'impianti solari, in lenta diminuzione già da alcuni anni è di circa 1.300.000 - 1.500.000 lire per m² installato per gli impianti unifamiliari e di circa 700.000 - 800.000 lire per m² installato, nel caso trasformazione di impianti centralizzati (un impianto nuovo per un palazzo di 50 appartamenti costa un centinaio di milioni). I prezzi si intendono I.V.A. compresa.

Esempi di Impianti e di Collettori