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Il collettore solare

Gennaio 7, 20189289 views4

Il pannello solare termico, detto in termine tecnico collettore solare, è un dispositivo che consente di convertire la radiazione solare in energia termica e di accumularla in un generatore. Solitamente viene usato per riscaldare l’acqua per uso sanitario.

Questo sistema è completamente differente dal pannello fotovoltaico in quanto quest’ ultimo permette di convertire la radiazione solare in energia elettrica.

Per comprendere meglio le particolarità dei due sistemi e riconoscerli a prima vista si allegano di seguito le foto che chiariscono le differenze:

Impianto solare termico utilizzato per il riscaldamento dell’acqua (uso sanitario) in una casa:

Una variante molto utilizzata per scopi industriali è l’impianto solare termico a concentrazione parabolica che consente di raggiungere temperature ancora più elevate.

Infine osserviamo un’ applicazione in parallelo di un pannello solare termico ed un pannello fotovoltaico:

In generale un sistema solare termico è composto da un pannello che riceve l’energia solare e da uno scambiatore dove circola un fluido che viene utilizzato per trasferirla al serbatoio che immagazzina questa energia.

Nel nostro caso focalizziamo l’attenzione su come effettivamente funziona il pannello solare termico.

Pannelli solari termici

Irraggiamento e irradiamento

Un pannello solare assorbe principalmente energia mediante irraggiamento che consiste nel trasferimento di quest’ultima tra due corpi per mezzo di onde elettromagnetiche; in particolare nel nostro caso parleremo di irraggiamento termico che consiste nella propagazione di energia (sotto forma di calore) attraverso un gas (solitamente l’aria).

Per comprendere a pieno il funzionamento di un pannello solare introduciamo inoltre il concetto di irradiamento che si differenzia dall’ irraggiamento in quanto consiste nella quantità di energia raggiante che  l’unità di superficie del corpo riceve o emette nell’ unità di tempo.

L’irradiamento varia secondo differenti fattori; in generale, sulla superficie terrestre, presenta un valore che varia tra 880 W/(m^2) (con il sole allo zenit ed al livello del mare) e 385 W/(m^2) (a 11.5° di inclinazione rispetto ai raggi solari).

L’irradiamento dipende inoltre dal giorno dell’anno (ovvero il parametro che tiene conto dell’altezza del sole sull’ orizzonte) e dall’ ora del giorno.  Varia ovviamente anche in base al clima: un cielo nuvoloso permette al pannello di assorbire poca energia termica.

 

Il seguente grafico descrive la variazione di irradiazione rispetto ad alcuni parametri appena citati:

 

Il funzionamento 

I collettori solari sono dispositivi che sfruttano l’effetto serra per riscaldare un fluido mediante irraggiamento solare.

La radiazione solare entra in un ambiente delimitato da vetri e, a causa della sua lunghezza d’ onda, riesce ad attraversare la copertura. All’ interno dell’ambiente viene assorbita da una superficie opaca (denominate piastra captante) che la riscalda e la riemette come radiazione ad una lunghezza d’onda più alta.

A questo punto la radiazione tenta di uscire dall’ambiente interno al pannello ma viene parzialmente bloccata e riflessa dal vetro che si comporta da superficie selettiva e non permette il passaggio della radiazione solare ormai a lunghezza d’onda elevate. In questo modo si verifica un aumento della temperature interna e il calore che si sviluppa viene ceduto al fluido intermedio che si riscalda.

Solitamente il fluido che viene riscaldato può essere acqua con glicole etilenico per evitare il congelamento della stessa a temperature sotto gli 0° C, oppure aria.

 

Le componenti

 

• La piastra captante è realizzata con una superficie selettiva che assorbe le radiazioni di lunghezza d’onda inferiori a 2 – 3 μm ed emette male al di sopra.
• La copertura trasparente è realizzata in genere in vetro o plastica trasparente con coperture spesso doppie che isolano meglio l’ambiente caldo da quello esterno riducendo così la radiazione solare entrante nel pannello.

 

 

Efficienza istantanea del pannello o rendimento viene definito come

Dove  [latex]\eta=\frac{(\dot q_u ) ̇}{G_r}[/latex]

[latex]\dot q_u = \bar{T_f} – T_a [/latex]

[latex]\bar{T_f} = [/latex] temperatura media del fluido tra ingresso e uscita ,

[latex]{T_a} = [/latex] temperatura dell’aria all’ esterno del pannello ,

[latex]{G_r} = [/latex] irraggiamento solare sul pannello ,

[latex]\dot q_u =[/latex] potenza termica utile raccolta per unità di superficie del pannello.

Si osserva inoltre nel grafico di figura 5 l’andamento del rendimento in base alle diverse tipologie di copertura di piastre captanti.

Dal grafico si deduce che all’aumentare della differenza di temperatura tra fluido e aria, diminuisce il rendimento  e all’aumentare dell’irraggiamento solare aumenta anche il rendimento (come era ovvio pensare). Si può notare inoltre che ad un valore minimo dell’irraggiamento non si genera un flusso termico.

 

Conclusione

Abbiamo quindi visto la differenza tra pannello solare (collettore solare) e il pannello fotovoltaico, esaminando nel dettaglio funzionamento, rendimento e potenze del primo.

Per entrare nel dettaglio delle tipologie di pannelli fotovoltaici vi consigliamo di leggere il seguente articolo: “Pannelli Fotovoltaici e la loro Evoluzione”

Fonti:

• Appunti e slide del corso di “Termotecnica” (Uniroma2 Tor Vergata, Ing. Gianluigi Bovesecchi)
• termoidraulica-treviso.it
• Portale del Sole