SOLARE TERMICO:
Tecnologie ed applicazioni
Dr. Vincenzo SABATELLI
Centro Ricerche ENEA - TRISAIA
Laboratorio di certificazione collettori e sistemi solari
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.
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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
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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
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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.
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Solare termico a bassa temperatura
Principali applicazioni:
Sistemi per
ACS
• 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
Combi-System
• 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
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Le principali tipologie di sistemi
Sistemi FACTORY-MADE
 Pre-assemblati in fabbrica
 A circolazione naturale
 Destinati ad utenze monofamiliari
 Superficie tipica: 2-5 m²
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Le principali tipologie di sistemi
Schema di funzionamento di un impianto a termosifone
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Le principali tipologie di sistemi
Sistemi CUSTOM-BUILT
 Progettati per la specifica
applicazione
 A circolazione forzata
 Destinati ad utenze
collettive
 Superficie tipicamente
> 10 m²
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Le principali tipologie di sistemi
Schema di funzionamento di un impianto a circolazione forzata
Pannello
solare
Acqua calda
Centralina
T
Caldaia
T
Accumulo
di acqua
calda
P
Acqua fredda
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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
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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
ISOLANTE TERMICO
Per ridurre al minimo le perdite per
conduzione della piastra
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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
Principio di funzionamento
Il principio di funzionamento di un collettore vetrato è lo stesso di
una serra:
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.
Copertura
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).
Assorbitore
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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)
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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
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Le tipologie di collettori solari
COLLETTORE A TUBI EVACUATI (Tecnologia Heat-Pipe)
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Le tipologie di collettori solari
COLLETTORE A TUBI EVACUATI (Tecnologia Heat-Pipe monotubo)
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Prestazioni energetiche
DIAGRAMMA SCHEMATICO DEI FLUSSI ENERGETICI
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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
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Prestazioni energetiche
MODELLO ENERGETICO DEL COLLETTORE

c p Tout  Tin   ta GA  A T  T
Energia trasferita
al fluido
4
p
4
a
 UAT
p
Energia persa per
irraggiamento
Energia assorbita
dalla piastra
Perdite convettive
e conduttive
Bilancio energetico in stato stazionario:
Qutile  Qsolare  Q persa


 A (ta )G  U L Tp  Ta 
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 Ta 

Qu
AGtilt
Superfici selettive
Superfice selettiva ideale
asol = 1 - r  1
IR = 1 - r  0
2
Spectral Irradiance [W/m mm]
2000
1,0
Superficie selettiva reale
(a > 0.9  ~ 0.1 )
Spettro solare
0,8
1500
1000
0,4
Reflectance
0,6
500
Radiazione di corpo nero
(100°C)
0,2
~99% della radiazione solare è
nell’intervallo 0–3.86 m
0
0,0
0,1
1
10
Wavelength [m]
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Un corpo nero, alla temperatura di 373 K
100
emette il 99.9%
della radiazione nello
spettro IR con > 3m
Prestazioni energetiche
CURVE DI EFFICIENZA
1
Efficienza (%)
0,8
0,6
Collettore a tubi evacuati
0,4
Collettore scoperto
Collettore vetrato
0,2
0
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
T* = (Tm-Ta)/G [m²K/W]
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0,07
0,08
0,09
0,1
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-system che
utilizzano collettori a bassa temperatura)
– Climatizzazione estiva degli ambienti (Solar cooling applicato al settore
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)
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Usi termici dell’energia solare
Produzione di acqua calda sanitaria
Caso di studio
Radiazione solare incidente
Fabbisogno di acqua calda
 Sito: ROMA
 Superficie: 32 m²
Energia utile
Energia persa
 Frazione solare: 75%
G
F
M
A
M
G
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L
A
S
O
N
D
Usi termici dell’energia solare
Sistema combinato per la climatizzazione invernale (Combi-System)
Caso di studio
Radiazione solare incidente
Fabbisogno x risc. ambiente
 Sito: ROMA
 Superficie: 80 m²
Energia utile
 Frazione solare: 25%
Energia persa
G
F
M
A
M
G
SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni
L
A
S
O
N
D
Usi termici dell’energia solare
Climatizzazione estiva degli ambienti (Solar cooling )
Radiazione solare
Fabbisogno x risc. ambiente
VANTAGGI:
 Migliore sfruttamento
dell’energia solare
(allineamento tra
disponibilità e
richiesta)
Fabbisogno raffrescamento
Resa energetica
 Possono risultare
molto competitivi in
Sud Europa dove è
preponderante il carico
di raffrescamento
G
F
M
A
M
G
SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni
L
A
S
O
N
D
Solar cooling: le tecnologie
Fonte: Politecnico di Milano
SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni
Solar cooling: le tecnologie
Sistemi ad assorbimento
pressure
thermal compressor
Q drive
Q A1
generator
condenser
throttle valve
pump
solution
heat exchanger
throttle valve
for the solvent
evaporator
Qcooling
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.
absorber
Temperatura tipiche di
funzionamento:
Q A2
temperature
 70-90°C (singolo effetto)
 130-160°C (doppio effetto)
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Concentratori a media temperatura
Concentratori parabolici lineari ad inseguimento
Sistema a specchi lineari di Fresnel
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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
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Solar cooling: le tecnologie
Esempio di sistema DEC
SOLARE TERMICO: Tecnologie ed applicazioni
Studio di fattibilità
Esempio per sistema di produzione di ACS
NORD
CENTRO
SUD
Bolzano
Roma
Palermo
1460
4
1720
4
1920
4
Fabbisogno di ACS procapite (litri/persona)
50
50
50
Area totale (m²)
4,8
4,0
3,2
Frazione solare
Costo medio dei collettori (€/m²)
80%
700
80%
700
80%
700
Carico termico per ACS (kWh/anno)
3392
2968
2544
Produzione specifica di calore (kWh/m²)
584
688
768
Investimento iniziale (€)
3360
2800
2240
Radiazione disponibile (kWh/m²)
Componenti nucleo familiare
Fonte ausiliaria
Tempo di ritorno (anni)
Tempo di ritorno con incentivo al 55% (anni)
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Elettricità Gas Elettricità
6-7
13-14
6
3
6
3
Gas
13
Elettricità
5-6
Gas
11-12
6
2,5-3
5-6
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
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