Un principio di funzionamento semplice ed efficace

Gli impianti solari termici sono dispositivi che permettono di catturare l'energia solare, immagazzinarla e usarla nelle maniere più svariate, in particolare ai fini del riscaldamento dell'acqua corrente in sostituzione delle caldaie alimentate tramite gas naturale.

Nel caso si utilizzi il calore del Sole per produrre corrente tramite l'evaporazione di fluidi vettori che alimentano turbine collegate ad alternatori si parla di impianto solare termodinamico.

Gli impianti si distinguono in:

• impianti a basse temperature (fino a 120 °C)

• impianti a medie temperature (ca. 500 °C)

• impianti ad alte temperature (ca. 1000 °C) che trovano applicazione soprattutto nei grossi impianti industriali.

 I collettori solari

Il "pannello solare termico" è il dispositivo base su cui si basa questa tecnologia.

I collettori sono attraversati da un fluido termovettore incanalato in un circuito solare che lo porterà ad un accumulatore.

L'accumulatore ha la funzione di immagazzinare più energia termica possibile al fine di poterla usare successivamente, al momento del bisogno.

Ne esistono di vari tipi, i più recenti sono i tubi sottovuoto che hanno un alto rendimento ma sono più soggetti a rotture.

Composizione impianto solare termico:

Un impianto solare termico è composto sempre almeno dalle seguenti unità:

• uno o più collettori che cedono il calore del sole al fluido; ne esistono di vari tipi, dalla semplice lastra di rame percorsa da una serpentina e pitturata di vernice nera, al pannello selettivo trattato con biossido di titanio (TINOX), all'assorbitore sottovuoto.

• un serbatoio di accumulo del fluido.

Esistono principalmente quattro tipologie di impianti:

1. a circolazione naturale:

in questo tipo il fluido è l'acqua stessa che riscaldandosi sale per convezione in un serbatoio di accumulo (boiler), che deve essere posto più in alto del pannello, dal quale viene distribuito alle utenze domestiche; il circuito è chiuso, in quanto l'acqua che viene consumata viene sostituita dall'afflusso esterno.

Questo impianto ha per pregio la semplicità ma è caratterizzato da una elevata dispersione termica, a scapito della efficienza.

 Solare Termico a Circolazione Naturale

2. a circolazione forzata:

un circuito composto dal pannello, una serpentina posta all'interno del boiler ed i tubi di raccordo.

Una pompa, detta circolatore, permette la cessione del calore raccolto dal fluido, in questo caso glicole propilenico, simile al glicole etilenico (il liquido usato per i radiatori delle automobili), alla serpentina posta all'interno del boiler.  

Il circuito è notevolmente più complesso, dovendo prevedere un vaso di espansione, un controllo di temperatura ed altri componenti, ed ha un consumo elettrico dovuto alla pompa e alla centralina di controllo, ma ha una efficienza termica ben più elevata, visto che il boiler è posto all'interno e quindi meno soggetto a dispersione termica durante la notte o alle condizioni climatiche sfavorevoli.

 Solare Termico a Circolazione Forzata

3. a svuotamento:

L’impianto solare a svuotamento o “Drain Back” si basa sul principio che quando l’impianto raggiunge la temperatura impostata o quando non c’è più sufficiente calore nel collettore, la pompa si ferma e il fluido termovettore presente nei pannelli solari defluisce automaticamente nel serbatoio per caduta gravitazionale.

Quindi lo svuotamento avviene anche nel caso di impianti spenti o a riposo, durante la notte, in caso di scarso irraggiamento o durante interventi di manutenzione dell’impianto.

Il sistema a svuotamento per impianti solari termici, evita il surriscaldamento dell’impianto stesso; quando il liquido ristagna nei pannelli solari può facilmente surriscaldarsi fino a richiedere l’intervento tecnico di manutenzione straordinaria.

Il sistema a svuotamento evita che ciò accada: quando l’impianto solare termico raggiunge la temperatura impostata, il fluido termovettore presente all’interno dei collettori defluisce automaticamente nel serbatoio.

Tale tecnologia evita anche l’impiego dell’antigelo in quanto il fluido viene automaticamente rimosso dai collettori anche durante la notte.

Lo svuotamento avviene anche nei casi di impianti spenti o a riposo. Quando il fluido ristagna a lungo nei collettori con impianto spento o a riposo, le alte temperature possono causarne deterioramento.

Il fluido termovettore non è altro che una miscela di acqua glicolata, è il ristagno potrebbe surriscaldare e deteriorare il glicole; non solo, lo svuotamento evita altri fattori di rischio come:

alta pressione, martellamenti al pannello solare termico dovuti al vapore

imbrattamento di valvole di non ritorno e pompe

inclusioni d’aria che ostacolano la circolazione del fluido termovettore

corrosione causata dal fluido termovettore acido

Gli interventi di manutenzione straordinaria di un collettore solare termico di solito sono legati ai fattori di rischio appena citati.

La presenza di aria nel sistema causa diversi malfunzionamento.

I processi di degradazione che avvengono nel circuito chiuso dell’impianto generano gas che tendono a liberarsi.

Questi gas negli impianti solari termici tradizionali possono causare malfunzionamenti che necessitano di un intervento tecnico specializzato: gli impianti a circolazione forzata a svuotamento non evitano la formazione di gas ma possono lavorare anche in presenza di aria.

I maggiori vantaggi di un collettore solare termico a svotamento sono legati alla mancata degradazione del glicole dell’impianto che in caso di sistema a svuotamento dura di più.

In un impianto solare termico convenzionale, le alte temperature causano la degradazione precoce del glicole abbassando la resa dell’intero sistema.

In più, il fluido subisce alterazioni del pH acidificandosi così da poter corrodere dei componenti dell’impianto. Il sistema Drain Back (a svuotamento), non fa ristagnare il glicole poiché quando l’impianto è fermo svuota i collettori solari così da garantire una lunga vita all’impianto, ai suoi componenti e al fluido termovettore.

Altri vantaggi sono correlati al risparmio energetico sulla corrente elettrica nelle ore notturne: durante la notte, infatti, non è necessario smaltire l’energia in eccesso, pertanto non viene utilizzata l’energia elettrica normalmente necessaria per il raffreddamento notturno.

Solare Termico a Circolazione Forzata  a svuotamento ( Riposo )

Solare Termico a Circolazione Forzata  a svuotamento ( In Funzione )

Solare Termico a Circolazione Forzata  a svuotamento ( Regime )

4. a concentrazione con inseguitore solare:

il sistema è in grado di concentrare i raggi solari in corrispondenza del fluido termoconduttore grazie ad una particolare forma parabolica

Il Solare a Concentrazione sta dimostrando di essere una tecnologia dal futuro interessante per il sistema energetico del nostro Paese.

Oggi i numeri sono modesti, ma già il prossimo Conto Energia porta a 200 i MW di energia elettrica prodotta attraverso il solare termodinamico che possono godere della tariffa incentivante.

La tecnologia CSP (Concentrated Solar Power)  però potrebbe lasciare i confini degli addetti ai lavori e diventare un settore importante per l'economia. L'Anest (Associazione nazionale energia solare termodinamica) in una recente audizione in Senato ha stimato in 30-50.000 i posti di lavoro che potrebbero nascere a seguito di una più larga adozione della tecnologia CSP.

Tra i principali vantaggi di questa tecnologia vi è infatti la possibilità dell'accumulo e stoccaggio di energia, con la modulazione della trasmissione. In questo modo, il solare termodinamico consente il superamento del problema dei picchi di offerta non supportati dalla rete.

Dove utilizzare la tecnologia CSP

Il solare termodinamico a concentrazione (CSP) è l'insieme delle tecnologie e dei sistemi finalizzati a convertire radiazione solare in energia elettrica, mediante processi di concentrazione ottica e cicli termodinamici.

Tale tecnologia sfrutta solo la radiazione diretta e mal si presta, a parte casi particolari o applicazioni eminentemente termiche, alla realizzazione di impianti di piccole dimensioni.

Per impianti di taglia attorno o superiori al MW e in zone a forte irraggiamento diretto, consente però costi di produzione dell’energia elettrica inferiori rispetto alla tecnologia fotovoltaica.

Se guardiamo all’area euro-mediterranea, si può prevedere una sorta di integrazione fra la tecnologia fotovoltaica nelle aree, principalmente europee, meno dotate di radiazione diretta, e quella del solare termico a concentrazione nelle aree con più forte intensità di radiazione e per impianti di media-grande potenza (dal MW in su).

Solare Termico a Cocentrazione

Solare Termico a Sfera con Inseguitore