SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

1. SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni Dr. Vincenzo SABATELLI Centro Ricerche ENEA - TRISAIA Laboratorio di certificazione collettori e sistemi solari

2. Il Sole: risorsa energetica inesauribile La Terra è attraversata da un flusso ininterrotto di energia proveniente dal Sole. 2.000 kWh/m² anno strato di petrolio di 20 cm Essa “piove” ogni anno sottoforma di energia elettromagnetica ed è inesauribile. SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

3. La radiazione solare: alcuni dati Costante solare: 1367 W/m² Energia solare extra-atmosferica incidente nell’unità di tempo su una superficie unitaria, disposta ortogonalmente ai raggi solari, alla distanza media Terra-Sole. Temperatura superficiale = 5780°C Distanza media Terra-Sole = 149.5 106 km SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

4. Radiazione solare al suolo • La radiazione solare al suolo si compone: • Radiazione diretta: radiazione ricevuta dal sole senza intervento di fenomeni di scattering atmosferico • Radiazione diffusa: radiazione ricevuta dal sole dopo che la sua direzione è stata cambiata per effetto dello scattering atmosferico SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

5. Sfruttamento termico dell’energia solare Le tecnologie per utilizzare l'energia solare al fine di produrre calore sono di tre tipi: • Bassa temperatura • Le tecnologie a bassa temperatura comprendono i sistemi che usano un collettore solare per riscaldare un fluido. Lo scopo è captare e trasferire energia solare per produrre acqua calda o riscaldare gli edifici. • Media temperatura • Le tecnologie a media temperatura richiedono dispositivi a debole concentrazione per raggiungere temperature fino ai 250°C. Le principali applicazioni sono legate a processi industriali e alla produzione di acqua dissalata. • Alta temperatura • Anche le tecnologie ad alta temperatura richiedono dispositivi per concentrare la radiazione solare che consentono di raggiungere temperature superiori anche ai 400°C. Le principali applicazioni sono legate alla produzione di energia elettrica per via termodinamica. SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

6. Solare termico a bassa temperatura Principali applicazioni: • Sono i sistemi più largamente diffusi in Italia ed in generale in Sud Europa • Sono progettati normalmente per coprire il 60-80% del fabbisogno annuo si ACS • Hanno costi competitivi soprattutto se sostituiscono boiler elettrici Sistemi per ACS • Sono meno comuni in Italia; largamente diffusi in Centro e Nord Europa • Sono progettati normalmente per coprire circa il 50% del fabbisogno termico annuo • Poco competitivi in Sud Europa per il ridotto periodo di riscaldamento Combi-System SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

7. Le principali tipologie di sistemi Sistemi FACTORY-MADE • Pre-assemblati in fabbrica • A circolazionenaturale • Destinati ad utenze mono-familiari • Superficietipica: 2-5 m² SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

8. Le principali tipologie di sistemi Schema di funzionamento di un impianto a termosifone SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

9. Le principali tipologie di sistemi Sistemi CUSTOM-BUILT • Progettati per la specifica applicazione • A circolazione forzata • Destinati ad utenze collettive • Superficie tipicamente > 10 m² SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

10. Le principali tipologie di sistemi Schema di funzionamento di un impianto a circolazione forzata SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

11. Le tipologie di collettori solari CLASSIFICAZIONE • BASSA TEMPERATURA • Collettori vetrati piani per applicazioni civili (ACS, climatizzazione residenziale) ed industriali (dissalazione) • Collettori scoperti per applicazioni stagionali • Collettori a tubi evacuati per applicazioni civili ed industriali dove sono richieste performance più elevate rispetto a quelle ottenibili con collettori vetrati piani (Collettori a tubi evacuati con CPC, Heat-pipe) • MEDIA TEMPERATURA • Collettori a debole concentrazione (CPC) per usi civili ed industriali • Collettori parabolici lineari (PTC) per usi civili ed industriali SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

12. Le tipologie di collettori solari COLLETTORE VETRATO PIANO ASSORBITORE Provvede ad assorbire la radiazione ed a trasferire l’energia raccolta ad un fluido termo-vettore COPERTURA TRASPARENTE Costituita da una o più lastre di vetro o di plastica per ridurre gli scambi termici convettivi e radiativi tra la piastra e l’atmosfera STRUTTURA ESTERNA Con funzione di contenimento e di protezione da polvere, umidità, ed agenti atmosferici ISOLANTE TERMICO Per ridurre al minimo le perdite per conduzionedellapiastra SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

13. Principio di funzionamento Il principio di funzionamento di un collettore vetrato è lo stesso di una serra: Copertura Quando i raggi solari raggiungono la superficie vetrata, una piccola parte di essi viene riflessa ma la maggior parte la attraversa e viene assorbita dal collettore. Quest’ultimo si riscalda ed emette energia sotto forma di radiazione infrarossa rispetto alla quale il vetro si comporta come se fosse opaco, trattenendola così al suo interno (effetto serra). Spettro Solare Radiazione infrarossa Assorbitore SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

14. Le tipologie di collettori solari COLLETTORE SCOPERTO • Costi contenuti • Facilità di installazione • Temperature di funzionamento < 50 °C • Impiego ideale per utenze estive (piscine, camping, hotel) SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

15. Le tipologie di collettori solari COLLETTORE A TUBI EVACUATI • L’assorbitore è costituito da una pellicola di materiale assorbente, depositata sulla superficie interna di un tubo di vetro • Il fluido termo-vettore scorre in un tubo ad U o in un sistema di tubi concentrici • Per incrementare le performance, nell’intercapedine tra i due tubi di vetro è praticato il vuoto (Collettore a tubi evacuati) • Un riflettore CPC (Compound Parabolic Concentrator) concentra la radiazione solare SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

16. Le tipologie di collettori solari COLLETTORE A TUBI EVACUATI (Tecnologia Heat-Pipe) SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

17. Le tipologie di collettori solari COLLETTORE A TUBI EVACUATI (Tecnologia Heat-Pipe monotubo) SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

18. Prestazioni energetiche DIAGRAMMA SCHEMATICO DEI FLUSSI ENERGETICI SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

19. Prestazioni energetiche BILANCIO ENERGETICO IN UN COLLETTORE VETRATO Energia trasferita al fluido = Radiazione solare - Perdite ottiche - Perdite termiche • Proporzionali a (1- ta) • Limitata possibilità di riduzione • Ammontano a ~20-25% delle perdite totali • Proporzionali a T • Aumentano sensibilmente con le alte temperature SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

20. Prestazioni energetiche MODELLO ENERGETICO DEL COLLETTORE Energia trasferita al fluido Energia persa per irraggiamento Perdite convettive e conduttive Energia assorbita dalla piastra Bilancio energetico in stato stazionario: SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

21. Superfice selettiva ideale asol= 1 - r 1 eIR= 1 - r 0 Superficie selettiva reale (a > 0.9 e ~ 0.1 ) Spettrosolare Radiazione di corpo nero (100°C) ~99% della radiazione solare è nell’intervallo 0–3.86 m Un corpo nero, alla temperatura di 373 K emette il 99.9% della radiazione nello spettro IR con > 3m Superfici selettive SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

22. Prestazioni energetiche CURVE DI EFFICIENZA SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

23. Usi termici dell’energia solare SETTORI DI INTERESSE • Settore civile • Produzione di acqua calda sanitaria (collettori a bassa temperatura) • Sistemi combinati per la climatizzazione invernale (Comby-systemche utilizzano collettori a bassa temperatura) • Climatizzazione estiva degli ambienti(Solar coolingapplicato alsettore residenziale e commerciale con collettori a bassa e/o media temperatura) • Settore industriale • Produzione di calore di processo a bassa e media temperatura • Produzione di freddo per l’industria alimentare (media temperatura) • Produzione di acqua dissalata mediante processi termici (bassa e media temperatura) SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

24. Usi termici dell’energia solare Produzione di acqua calda sanitaria • Caso di studio • Sito: ROMA • Superficie: 32 m² • Frazione solare: 75% Radiazione solare incidente Fabbisogno di acqua calda Energia utile Energia persa G F M A M G L A S O N D SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

25. Usi termici dell’energia solare Sistema combinato per la climatizzazione invernale (Combi-System) • Caso di studio • Sito: ROMA • Superficie: 80 m² • Frazione solare: 25% Radiazione solare incidente Fabbisogno x risc. ambiente Energia utile Energia persa G F M A M G L A S O N D SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

26. Usi termici dell’energia solare Climatizzazione estiva degli ambienti (Solar cooling ) VANTAGGI: • Migliore sfruttamento dell’energia solare (allineamento tra disponibilità e richiesta) • Possono risultare molto competitivi in Sud Europa dove è preponderante il carico di raffrescamento Radiazione solare Fabbisogno x risc. ambiente Fabbisogno raffrescamento Resa energetica G F M A M G L A S O N D SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

27. Solar cooling: le tecnologie Fonte: Politecnico di Milano SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

28. Solar cooling: le tecnologie Sistemi ad assorbimento • Il ciclo frigorifero è basato su un processo di assorbimento nel quale un fluido igroscopico assorbe i vapori del fluido refrigerante (Compressore termico). • Il ciclo è chiuso e consente di produrre acqua refrigerata. • Temperatura tipiche di funzionamento: • 70-90°C (singolo effetto) • 130-160°C (doppio effetto) SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

29. Concentratori a media temperatura Concentratori parabolici lineari ad inseguimento Sistema a specchi lineari di Fresnel SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

30. Solar cooling: le tecnologie Sistemi DEC Il ciclo frigorifero è basato su un processo di umidificazione / deumidificazione che utilizza materiali igroscopici solidi o liquidi. Il ciclo è aperto e consente di trattare direttamente l’aria da condizionare. Temperatura tipiche di funzionamento: 60-70°C SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

31. Solar cooling: le tecnologie Esempio di sistema DEC SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

32. Studio di fattibilità Esempio per sistema di produzione di ACS SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni

33. Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l'energia e lo sviluppo economico sostenibile Centro Ricerche TRISAIA Laboratorio di certificazione collettori e sistemi solari http://www.enea.it http://www.trisaia.enea.it SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni