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DISPOSITIVI DI CAPTAZIONE



L’irraggiamento solare è convertito in energia termica per mezzo di componenti preposti alla captazione della radiazione solare. Alcuni di questi dispositivi sono in grado di sfruttare la sola radiazione diretta, mentre altri consentono di utilizzare le tre componenti - diretta, diffusa e riflessa - della radiazione stessa. La radiazione solare giunge al dispositivo di captazione, viene assorbita dall’assorbitore e trasferita ad un fluido termovettore, che può essere acqua, aria o un fluido diatermico. I dispositivi di captazione possono essere classificati in base alla temperatura del fluido termovettore e al rapporto di concentrazione Cr, definito come il rapporto tra la superficie di ammissione dell’irraggiamento solare non concentrato e la superficie di assorbimento del dispositivo.

classificazione sistemi di captazione

Fig. 1 Classificazione dei sistemi di captazione solare


Dalla precedente classificazione deriva che i pannelli solari piani sono adatti per applicazioni a bassa temperatura, a differenza degli altri sistemi più idonei per applicazioni a media ed alta temperatura. I pannelli solari piani sono per questo motivo preferiti per usi civili, anche perché possono essere facilmente integrati nell’involucro edilizio; i collettori a concentrazione richiedono invece delle proprie strutture di sostegno e movimento.


CENTRALI SOLARI

Si utilizzano normalmente i sistemi a torre, i cui elementi essenziali sono:

  • il campo specchi, formato da un elevato numero di superfici riflettenti che seguono automaticamente il percorso del sole e che concentrano istante per istante i raggi solari verso un ricevitore
  • il ricevitore energetico (caldaia puntuale), collocato su una torre posta in posizione centrale rispetto al campo specchi
  • il sistema di conversione dell’energia termica prima in energia meccanica (turbina a vapore) e successivamente in energia elettrica (generatore elettrico)
  • il sistema di regolazione preposto a mantenere gli specchi ortogonali alla radiazione diretta. L’inseguimento può essere attuato da un computer o da elementi fotosensibili che, istante per istante, misurano l’errore di orientamento del singolo specchio.

schema centrale solare

Fig. 2 Schema di funzionamento della centrale solare


CONCENTRATORI SOLARI

Sono composti da uno specchio o da lenti ottiche che convergono i raggi solari verso l’assorbitore in cui scorre il fluido termovettore. Poiché sfruttano la sola radiazione diretta, necessitano di dispositivi atti a mantenere in ogni istante la superficie riflettente ortogonale alla direzione dei raggi solari. Si distinguono in sistemi ad immagine, più comuni, che riproducono l’immagine del sole sul piano focale, ed a non immagine che concentrano casualmente i raggi solari sull’assorbitore. I collettori ad immagine possono essere a loro volta di tipo puntuale o lineare, se convergono i raggi solari nel punto focale o in un asse passante per il fuoco. I principali collettori ad immagine di tipo puntuale sono i concentratori parabolici, caratterizzati da una superficie riflettente parabolica e da un assorbitore posto nella zona focale.Tra essi le due principali tipologie si differenziano per l’inseguimento solare: il primo tipo presenta l’assorbitore fisso e solidale con il riflettore che invece è mobile ed insegue il sole; il secondo tipo presenta invece il riflettore fisso e l’assorbitore mobile che si dirige nella zona in cui il riflettore converge la radiazione solare.

concentratori parabolici

Fig. 3 Concentratori parabolici


I concentratori cilindro-parabolici sono invece sistemi ad immagine di tipo lineare. Sono costituiti da una superficie riflettente ottenuta per traslazione di una parabola lungo un asse passante per il suo fuoco e ortogonale al piano che la contiene. Nella zona focale della superficie riflettente è posto l’assorbitore lineare, in genere costituito da una tubazione in rame o acciaio inox entro la quale scorre il fluido termovettore. Per ridurre le perdite per convezione e per favorire l’effetto serra, la tubazione può essere posta all’interno di un tubo di vetro. Per quanto riguarda l’inseguimento solare, il sistema può presentare l’assorbitore fisso e la parabola rotante oppure presentare l’assorbitore solidale con la parabola a sua volta soggetta al moto di rotazione. L’inseguimento infine può essere su un asse - ed in tal caso l’assorbitore andrà orientato secondo la direzione est-ovest  o su due assi.

concentratori cilindro parabolici

Fig. 4 Concentratori cilindro-parabolici


TIPOLOGIE DI COLLETTORI SOLARI TERMICI

Possono essere ad alta o a bassa temperatura. I pannelli ad alta temperatura sono dotati di specchi per concentrare i raggi solari. Il loro costo, assai elevato, li rende convenienti solo per esigenze particolari e alquanto limitate. I pannelli a bassa temperatura sono costituiti da semplici assorbitori. Sono utilizzati soprattutto per produrre acqua calda e riscaldare ambienti, e possono essere così suddivisi:

1. Pannelli a fluido liquido senza protezione

Sono costituiti da un assorbitore realizzato in materiale plastico. Per mancanza di copertura non sono in grado di superare i 40÷45°C. Per questo, in pratica, sono utilizzati prevalentemente per riscaldare piscine. Il basso costo è il loro principale vantaggio. Sono però soggetti a problemi di “invecchiamento” che dipendono siadai materiali, sia dalla tecnologia utilizzati per la loro produzione.

pannelli a fluido
Fig. 5 Pannelli a fluido liquido senza protezione


2. Pannelli a fluido liquido con protezione (collettori vetrati piani)

Sono costituiti da un assorbitore metallico (in rame, alluminio o acciaio) che incorpora anche i tubi di passaggio del fluido vettore, una lastra in vetro o in plastica con buona trasparenza alle radiazioni emesse dal sole ed elevata opacità a quelle emesse dall’assorbitore, un pannello di materiale isolante, posto sotto l’assorbitore, un involucro di contenimento per proteggere i componenti di cui sopra e limitare le disp. termiche del pannello. Questi pannelli possono produrre acqua calda fino a 90÷95°C. La loro resa diminuisce però in modo sensibile oltre i 65÷70°C. Non richiedono soluzioni d’uso complesse, hanno un buon rendimento e costi relativamente bassi. Per tali motivi sono i pannelli maggiormente utilizzati negli impianti civili. Per impianti di piccole dimensioni sono disponibili anche con serbatoio incorporato.

pannelli a fluido liquido con protezione

Fig. 6 Pannelli a fluido liquido con protezione


3. Pannelli ad aria del tipo a cassetta

Sono costituiti da un contenitore a scatola con superficie superiore trasparente (in vetro o in plastica) e con isolamento termico sia sul fondo che sulle pareti laterali. L’assorbitore è una semplice lastra metallica (in acciaio o in rame) sopra cui, e talvolta anche sotto, scorre libero un flusso d’aria. Questi pannelli non hanno una resa elevata in quanto l’aria è un vettore poco idoneo a scambiare e a trasportare calore. Tuttavia hanno il vantaggio di costare poco e di non richiedere l’intervento di uno scambiatore. Inoltre sono molto leggeri e, a differenza dei pannelli con fluido vettore liquido, non sono esposti a pericoli di congelamento o di ebollizione. Sono utilizzati soprattutto per riscaldare aria ambiente e per essiccare prodotti agricoli.

pannelli ad aria tipo cassetta
Fig. 7 Pannelli ad aria del tipo a cassetta


4. Pannelli a fluido liquido con tubi sotto vuoto (collettori a tubi sottovuoto)

Sono costituiti da una serie di tubi in vetro sottovuoto all’interno dei quali sono posti assorbitori a strisce. È una tecnica costruttiva che consente di limitare le dispersioni termiche dei pannelli ed assicurare, pertanto, rendimenti più elevati: caratteristica che può risultare molto utile nelle zone con basse temperature esterne. I pannelli con tubi sottovuoto possono produrre acqua calda fino a temperature di 115÷120°C: cioè fino a temperature che possono essere utilizzate in campo industriale, alimentare e agricolo, oppure per produrre acqua refrigerata con l’aiuto di appositi gruppi frigoriferi. Il costo assai elevato è il principale limite di questi pannelli.

pannelli a fluido con tubi sottovuoto
Fig. 8 Pannelli a fluido liquido con tubi sottovuoto


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