Impianto solare termico

Gli impianti solari termici sono dispositivi che permettono di catturare l'energia solare, immagazzinarla e usarla nelle maniere più svariate.

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 "collettore solare" o pannello solare 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. Nei primi due casi l'assorbitore è protetto da un vetro temperato, che può essere prismatico;

• un serbatoio di accumulo del fluido.

Esistono due tipi di impianti:

• 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 aperto, 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.

• 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 le condizioni climatiche avverse.

Schema di impianto solare a bassa temperatura e a circolazione forzata

Impianti solari Termodinamici

Ci sono fondamentalmente tre tipi di impianti che producono energia elettrica attraverso cicli termodinamici lavorando a medie o alte temperature:

Parabolic Dish (Specchi parabolici): la superficie riflettente è costituita da un disco a sezione parabolica mobile, che insegue su due assi la radiazione solare concentrandola nel punto focale, in cui è posto un collettore termico. Il calore immagazzinato dal collettore alimenta direttamente un motore (motore Stirling), grazie al quale si ottiene la trasformazione in energia elettrica. Il rendimento di questo motore può raggiungere anche il 40% e permette di usare direttamente la radiazione senza ulteriori perdite di calore, però questi impianti sono molto costosi e difficili da gestire.

Parabolic Trough (Specchi semicilindrici lineari a sezione parabolica): sono costituiti da semi-cilindri a sezione parabolica, che inseguono la radiazione ruotando solo attorno al loro asse e la concentrano nel fuoco che si sviluppa linearmente. Il collettore è quindi lineare, ed al suo interno viene fatto circolare il fluido che costituisce lo scambiatore primario. Il fluido primario cede poi il calore ad un fluido secondario (generalmente acqua) collegato al gruppo turbina-alternatore, che trasforma l'energia termica in elettrica. Questi collettori vengono disposti sul terreno in file parallele, pertanto richiedono grandi spazi aperti, ed inoltre possono ruotare solo intorno al loro asse.

La tecnologia attualmente più matura è quella dei collettori parabolici lineari. In tali impianti, costituiti da file di collettori collegati fra loro che formano una rete di alcune centinaia di metri, i raggi solari sono focalizzati su tubi ricevitori posizionati lungo la linea focale di ciascuna fila di concentratori.

Un fluido portatore di calore, tipicamente olio minerale, pompato attraverso i tubi ricevitori, alimenta una stazione di potenza localizzata al centro dell’impianto. Il calore così prodotto viene trasformato in vapore allo scopo di far funzionare un gruppo turbo-generatore elettrico. La temperatura tipica di operazione è di 390°C. L'intermittenza e la variabilità della produzione, limitano, tuttavia, l'utilizzabilità dell'energia elettrica prodotta, riducendone il valore commerciale.

Solar Tower (o CRS – Central Receiver System): l'impianto è costituito da numerosi specchi, detti eliostati, che concentrano la radiazione in uno stesso punto. Il ricevitore si trova in cima ad una torre (da cui il nome “torri solari”) ed al suo interno viene fatto scorrere il fluido primario che assorbe il calore. Come nel caso precedente c'è uno scambiatore secondario (generalmente acqua) collegato al gruppo turbina-alternatore che trasforma l'energia termica in elettrica. Questi sono gli impianti che lavorano alle più alte temperature. Le perdite energetiche più importanti sono dovute a perdite ottiche e perdite collegate al calore radiante.