L’unità di trasferimento dell’energia termica è infine costituita dalle tubazioni di collegamento per la circolazione del fluido termovettore e da eventuali dispositivi per la
regolazione ed il controllo del funzionamento dell’impianto (pompe di circolazione, termostati,
scambiatori di calore, centraline elettroniche, etc.). Questi ultimi organi possono mancare nei
sistemi più semplici a circolazione naturale del fluido termovettore.
L’unione di queste tre unità funzionali da’ luogo a sistemi che, pur essendo notevolmente
diversi fra loro, sono accomunati da un unico principio di funzionamento, molto semplice nei suoi
aspetti essenziali.
A causa dell’aleatorietà della radiazione solare, si verificano però periodi in cui l’energia
termica prodotta dall’impianto solare risulta insufficiente. Per questo motivo deve essere
necessariamente presente un impianto ausiliario di supporto, alimentato da fonti convenzionali.
La principale distinzione che viene fatta sugli impianti solari riguarda il sistema di
circolazione del fluido termovettore; essi vengono così distinti in:
– impianti solari a circolazione naturale;
– impianti solari a circolazione forzata.
Nel primo caso il fluido termovettore circola attraverso i condotti per differenza di densità: il
fluido riscaldandosi nel collettore diminuisce di densità e tende spontaneamente a risalire verso
l’alto; a questa azione si aggiunge la spinta derivante dal fluido che nel frattempo si è raffreddato e,
diventato più pesante, tende a portarsi verso il basso. Si innesca in tal modo un lento moto
convettivo, con velocità proporzionale all’intensità della radiazione solare. Il sistema così fatto non
necessita di sistemi di controllo poiché risulta “autoregolante”.
Nel secondo caso, invece, la circolazione del fluido avviene per opera della spinta esercitata
da una pompa idraulica azionata da un motore elettrico. Occorre allora controllare il funzionamento
in modo da consentire la circolazione solo in presenza di energia utile. Questo si verifica quando la
temperatura tu di uscita del fluido dal collettore supera quella di ingresso ti di una quantità Δt>0, al
di sotto della quale l’apporto energetico non compensa le perdite.
Il controllo del funzionamento è affidato ad un termostato differenziale provvisto di due
sensori che rilevano le due temperature tu e ti. Quando la differenza tra queste due temperature è
superiore ad un valore Δt1 prefissato viene azionata automaticamente la pompa di circolazione. Il
funzionamento continua fino a quando la differenza tu-ti non scende al di sotto di un secondo valore
Δt2, leggermente inferiore al primo per tenere conto dell’inerzia dell’impianto. Oltre al termostato
differenziale, in un impianto a circolazione forzata devono essere presenti altri dispositivi di
controllo e sicurezza. Tra essi assume fondamentale importanza la valvola di ritegno che,
consentendo il moto del fluido in una sola direzione, impedisce che a pompa spenta si instauri una
circolazione naturale inversa.
Nelle località in cui il pericolo di congelamento è minimo, è consentito l’utilizzo della stessa
acqua di rete come fluido termovettore. Potendo eliminare lo scambiatore di calore, che ostacola la
circolazione del fluido, può essere in questo caso conveniente utilizzare sistemi a circolazione
naturale. Va sottolineato però che per garantire “l’effetto termosifone” è necessario predisporre il
serbatoio di accumulo al di sopra dei collettori; deve essere inoltre ridotta al minimo la lunghezza
del circuito idraulico in modo da contenere le resistenze al moto.
I sistemi a circolazione forzata, a fronte di una maggiore complessità derivante dalla presenza
dei dispositivi di azionamento e controllo, presentano invece numerosi vantaggi: nessuna
limitazione riguardo alla posizione del serbatoio di accumulo; diametri modesti per le tubazioni;
rapide risposte alle variazioni dell’irraggiamento solare; possibilità di stabilire la velocità di
circolazione del fluido tale da rendere massima l’efficienza energetica; possibilità di soddisfare sia
piccole che grandi utenze.
Nella figura 10 è rappresentato uno schema di impianto solare per la produzione di acqua
calda per usi igienico-sanitari e per riscaldamento. L’impianto, a circolazione forzata, usa acqua
come fluido termovettore.
Figura 10
Schema di
impianto solare con integrazione elettrica ed ausiliario semplice
Il
suo principio di funzionamento può essere così riassunto:
1.
La radiazione solare incidendo sul pannello innesca l’effetto serra.
2.
Nell’attraversare i pannelli il fluido termovettore asporta l’energia termica
proveniente dall' radiazione
solare e si porta ad una temperatura superiore a quella di uscita dal serbatoio
di accumulo.
3.
Passando attraverso lo scambiatore di calore posto all’interno del serbatoio di
accumulo, il fluidotermovettore
cede calore all’acqua che di conseguenza si riscalda.
4.
Il fluido ormai raffreddato torna ai pannelli, chiudendo in questo modo il
ciclo.
Al
ripetersi dei cicli aumenterà l’apporto energetico per l’acqua contenuta nel
serbatoio di accumulo.
La temperatura di quest’ultima si potrà portare quindi a valori prossimi a
quelli del fluido
termovettore.
Nel
caso dell’impianto di figura 10, sono previsti due sistemi di integrazione per
il riscaldamento
dell’acqua nel serbatoio di accumulo: uno elettrico, costituito da una
resistenza posta all’interno
del serbatoio, ed uno convenzionale collegato attraverso un secondo
scambiatore.
D’inverno,
laddove i carichi termici sono i massimi, l’impianto solare fornisce la minima energia.
È conveniente allora utilizzare in questo periodo l’impianto solare come
preriscaldatore lasciando
all’ausiliario convenzionale il compito di fornire l’energia termica mancante
per il riscaldamento
degli ambienti.
D’estate
invece, mentre i fabbisogni termici sono soltanto dovuti al riscaldamento dell’acqua sanitaria,
l’impianto solare si trova per contro alla sua massima potenzialità. In questo
periodo è opportuno
allora utilizzare, quando necessaria, l’integrazione elettrica ed evitare il
ricorso all’ausiliario
convenzionale, dimensionato per carichi termici elevati.
4. Posizionamento dei pannelli solari
4.1. Orientamento
L’orientamento
dei pannelli solari ha una importanza fondamentale nella resa complessiva dell’impianto.
È opportuno infatti orientare il pannello in modo che riceva la massima
quantità possibile
di radiazione solare che significa, in pratica, mantenere per ogni periodo dell’anno
il pannello
ortogonale alla direzione dei raggi solari; ciò può essere messo in atto
utilizzando sistemi di
inseguimento solare. Purtroppo tali sistemi, se da un lato comportano un
aumento sensibile dell’energia
solare captata, dall’altro incidono notevolmente nei costi di installazione e manutenzione.
Questa soluzione risulta pertanto non economica per l’utenza privata.
Per
questo motivo per i collettori piani vengono abitualmente adottate installazioni
di tipo fisso.
Una volta scelto l’impianto di tipo fisso, è necessario valutare l’inclinazione
e l’orientamento dei
pannelli tali da rendere massima la captazione di energia.
Nota
la latitudine ϕ del sito, l’inclinazione dei collettori viene determinata in
base al periodo di
funzionamento previsto. Nel periodo estivo, quando il sole è più alto sull’orizzonte, l’inclinazione
ottimale risulta essere di circa 10°÷15° superiore alla latitudine del luogo.
Viceversa, per
il periodo invernale, la migliore inclinazione è di 10°÷15° inferiore alla
latitudine. Per un funzionamento
annuale l’inclinazione ottimale è di circa 0.9
x ϕ. In
figura 18 è evidenziato il soleggiamento annuo relativo per un collettore
orientato a sud per diversi
valori dell’angolo di inclinazione.
L’orientamento
ottimale dei collettori risulta essere verso il Sud. Tuttavia in alcune zone caratterizzate
da foschie mattutine o nebbie pomeridiane è consigliabile un orientamento verso
sudovest o
sud-est.
In
figura 19 è riportato il soleggiamento annuo relativo per un collettore
inclinato di un angolo i=0.9 x ϕ in corrispondenza di diversi valori dell’angolo azimutale γ.
Figura
19.
Soleggiamento
annuo relativo per un collettore inclinato di un angolo 0.9xϕ al variare
dell’orientamento
ξ.28
4.2. Ombre
Prima
di procedere all’installazione di un impianto solare è opportuno assicurarsi
che siano assenti
ostacoli (edifici, alberi, etc.) in grado di proiettare ombre sui pannelli.
L’andamento
delle ombre proiettate dagli ostacoli durante l’anno può essere previsto utilizzando
i diagrammi dei percorsi solari già descritti in precedenza.
Chiariamo
con un esempio l’utilizzo di tali diagrammi.
Si supponga di
voler valutare l’ombra prodotta dall’ostacolo rappresentato in figura 20
Figura 20
Angoli di
schermatura prodotti da un edificio posto sulla direzione collimata al sole.
L’ostacolo
presenta un ingombro azimutale verso est di 30° ed, in corrispondenza, un
ingombro
in altezza di 27°. Verso ovest si ha invece un ingombro azimutale di 35° e in
altezza di 34°.
Riportando
questi punti sul diagramma dei percorsi solari si ottiene la situazione di
figura 21, in cui la zona
scura rappresenta la zona d’ombra prodotta dall’ostacolo.
Figura 21.
Valutazione delle ombre prodotte da un
edificio con l’ausilio del diagramma dei percorsi solari.
Come
si può notare la traiettoria del sole relativa al 21 dicembre attraversa tale
zona, per cui in
questo periodo il collettore risulta parzialmente in ombra; in particolare il
collettore rimane in ombra
dalle ore 9.30 alle ore 14.00. Dalla figura si può anche notare che dal 21
febbraio al 21 ottobre,
per qualunque ora del giorno, il collettore sarà completamente immune da ombre
proiettate dall’ostacolo.
Nel periodo che va dal 21 ottobre al 21 febbraio invece, per alcune ore della
giornata, il
collettore sarà in ombra.
Nell’ipotesi
sia previsto il montaggio dei pannelli in schiere parallele, è necessario
prestare attenzione
alla distanza fra esse per evitare che la prima schiera possa ombreggiare le
seguenti.
Per
evitare che ciò si verifichi è necessario calcolare la minima distanza a cui
porre le schiere.
Individuato
in relazione al periodo di funzionamento, il giorno in cui il sole risulterà
più basso sull’orizzonte,
si calcolano, per ogni istante di luce, i valori dell’angolo di altezza solare
e dell’angolo
azimutale descritti dal sole. In corrispondenza di ogni valore così ottenuto si
calcola la distanza a cui
porre le schiere per evitare l’ombreggiamento:
Figura 22
Distanza
fra pannelli solari posizionati in schiere parallele.
5. Dimensionamento economicamente ottimale di un impianto a pannelli solari
L’elevato
costo di investimento di un impianto solare impone un dimensionamento basato su esigenze
di convenienza economica. Una volta definito l’irraggiamento solare del luogo e
il abbisogno
termico da soddisfare, la scelta della superficie captante rappresenta la fase
cruciale della
progettazione.
Le
valutazioni da fare sono sia tecniche sia economiche: va infatti valutata l’energia ricavabile
e vanno monetizzati i benefici offerti dall’impianto.
Dal
punto di vista tecnico, una volta fissati i parametri caratteristici del
pannello solare, vanno opportunamente
posti i collettori. Nota la posizione del collettore si può valutare la
radiazione incidente
sulla superficie inclinata. Va successivamente fissata la temperatura di lavoro dell’impianto:
poiché l’efficienza del sistema è tanto più elevata quanto più bassa è la
temperatura del
fluido termovettore e poiché per esigenze igienico-sanitarie sono richieste
temperature dell’acqua
intorno ai 45°C, è opportuno regolare la temperatura a valori non superiori a
50°C .
Una
volta note le caratteristiche dei collettori, l’irraggiamento solare sulla loro
superficie e le condizioni
di funzionamento dell’impianto, si è in grado di valutare l’energia fornita
dalla batteria di
pannelli solari.
L’energia
fornita dai pannelli aumenta all’aumentare della superficie captante: infatti, incrementando
l’apporto energetico fornito dai collettori, diminuisce la spesa per l’acquisto
del combustibile
che alimenta l’impianto ausiliario. Contemporaneamente però, all’aumentare
della superficie
dei collettori, aumenta il costo complessivo dell’impianto.
La
superficie economicamente ottimale è allora quella che rende minimo il costo
annuale di gestione
ed ammortamento dell’impianto: tale configurazione sarà ovviamente costituita
da una parte
solare ed una parte convenzionale.
5.1. Metodo f-chart
La
procedura di calcolo della superficie economicamente ottimale che sarà di
seguito descritta si
basa su un modello messo a punto da ricercatori dell’Università del Wisconsin,
noto come metodo f-chart.
Il
metodo è essenzialmente fondato sulla determinazione dell’aliquota mensile di
energia coperta
dall’impianto solare. La parte eccedente dovrà essere invece sopportata dall’impianto ausiliario di tipo
convenzionale.
Figura 24
Costo
complessivo annuo in funzione della superficie di collettori installata.
Nell’ipotesi
in cui, almeno per una superficie, il costo dell’impianto ad integrazione
solare risulti
inferiore al costo dell’impianto convenzionale, vi sarà convenienza economica
per l’investimento.
La configurazione ottimale corrisponderà a quella che rende minimo il costo nnuale
dell’impianto ad integrazione o, ugualmente, a quella che rende massimo il
risparmio annuale.
Sistema digitale per il monitoraggio degli impianti fotovoltaici che consente di aumentare considerevolmente l'energia elettrica prodotta, a parita' di altre condizioni. La tecnologia HPA e' stata progettata e sviluppata nei laboratori di Riesi. Sistema digitale consente a tutti i componenti di un impianto fotovoltaico di lavorare al meglio delle loro caratteristiche, riduce drasticamente il rischio di errore dei sistemi che governano gli inverter, evitando situazioni critiche nella funzionalita' dell'impianto ovvero segnalando con congruo anticipo malfunzionamenti e possibili rotture di componenti.
Le prime applicazioni industriali della tecnologia HPS hanno portato alla nascita di HPA (Hymera Power Amplifier) un software alla base di un sistema di monitoraggio proattivo che consente di aumentare in maniera significativa le performance di produzione di un impianto fotovoltaico.
HPA è anche in grado di evidenziare situazioni anomale ben prima di altri sistemi di monitoraggio tradizionali.
La caratteristica fondamentale di questi particolari regolatori HMPPT è la capacità di gestire e sfruttare costantemente e contemporaneamente più punti di massima potenza erogati dalla stringa di pannelli fotovoltaici in base all'irraggiamento solare cui è sottoposto.
