I collettori solari sono in uso in un numero crescente di famiglie tedesche. Assorbono l'energia solare e la convertono in calore. Indipendentemente dal fatto che venga utilizzato per generare acqua calda o per sostenere il riscaldamento, i settori di applicazione sono diversi e rappresentano un passo verso una vita sostenibile.
I collettori solari (solare termico) e le celle solari (fotovoltaico) possono immagazzinare l'energia del sole e convertirla in calore (solare termico) o elettricità (fotovoltaico). Questo è un grande risultato, perché la stella al centro del sistema solare è un'enorme fonte di energia: ogni giorno circa 1,8 x 1,014 kilowatt colpiscono la terra. Noi esseri umani non abbiamo nemmeno bisogno di tanta energia: una produzione di energia di 1.010 kilowatt copre già i requisiti globali e riceviamo circa 10.000 volte più energia fornita ogni giorno.
Sebbene l'uso dell'energia solare sia iniziato nell'antichità e il precursore degli odierni collettori solari sia stato inventato nel XIX secolo, l'uso reale della tecnologia solare termica in Europa iniziò solo al tempo della crisi petrolifera nel 1973. A quel tempo, si cercarono alternative all'olio da riscaldamento, così che solo pochi anni poi sono arrivati i primi pannelli solari sul mercato. La maggior parte di loro era troppo costosa e tecnicamente inaffidabile.
Ma negli ultimi 45 anni sono successe molte cose. I collettori solari ora possono essere trovati su molti tetti di case e sono un buon modo per generare calore aggiuntivo.
Grazie al loro aspetto discreto, i collettori solari sono ora adatti a qualsiasi soluzione architettonica. L'integrazione nel tetto si è dimostrata valida per molti anni e offre protezione dal vento e dalle intemperie.
Struttura e funzione del collettore solare
Per poter utilizzare l'energia del sole per il riscaldamento dell'acqua o per il riscaldamento è necessario un impianto solare termico. Attenzione però: è sempre necessario un secondo generatore di calore, perché l'energia generata dall'impianto solare termico non è sufficiente, soprattutto nel periodo invernale. Costoso ma l'unica alternativa: risparmi il calore del sole con enormi serbatoi in inverno.
Il cuore di un sistema solare è il collettore. All'interno c'è un assorbitore che cattura la radiazione solare e si riscalda durante il processo. Questo crea calore, che a sua volta viene trasferito a un mezzo di trasferimento del calore. Il mezzo di trasferimento del calore è un liquido (liquido solare), solitamente costituito da acqua e glicole propilenico. Lo scopo principale del glicole propilenico è impedire all'acqua di gelare in inverno e troppo calda in estate. Il liquido riscaldato viene pompato attraverso i tubi attraverso l'assorbitore e quindi nel serbatoio di accumulo solare. Il più delle volte l'assorbitore è isolato lateralmente e sotto per evitare perdite di calore.
Tipi di pannelli solari
A seconda dello spazio di installazione e del budget, è possibile scegliere tra due modelli base: il collettore a piastra piana e il collettore a tubi.
Collettore piatto
- assorbitore
Il collettore piano viene utilizzato molto frequentemente. Contiene un assorbitore piatto e continuo, ad esempio in metallo annerito, sul retro del quale sono fissati i tubi dell'acqua in modo che conducano il calore. Quanti raggi solari vengono assorbiti dall'assorbitore dipende dal materiale, dalla forma, dalla disposizione dei tubi e dal rivestimento. I pannelli assorbono meglio i raggi del sole quando il materiale è il più nero, sottile e termicamente conduttivo possibile.
- Mezzo di trasferimento del calore
L'acqua circolante è arricchita con agenti antigelo come propilene o glicole etilenico in modo che le temperature di congelamento non facciano scoppiare i tubi. Tuttavia, gli additivi dovrebbero essere neutri dal punto di vista ambientale.
- Alloggiamento del collettore
L'assorbitore riposa in una scatola ben chiusa che tiene lontani l'umidità e la polvere. L'alloggiamento deve essere realizzato in materiale resistente alla corrosione.
- Strato isolante
L'alloggiamento è rivestito con un materiale leggero ma resistente. Deve avere un valore U basso e resistere alle alte temperature nel collettore. I pannelli di schiuma dura in connessione con le stuoie di lana minerale, ma anche la lana di pecora e di roccia sono molto diffusi. Attenzione agli ingredienti che rilasciano gas: formano un precipitato all'interno della vetratura e riducono l'incidenza della luce.
- La copertura in vetro
La scatola del collettore è ricoperta da una lastra di vetro. Il cosiddetto grado di trasmissione è importante per la selezione del vetro. Indica la quantità di radiazione luminosa che il vetro lascia passare. Il vetro dovrebbe raggiungere un valore di 0,9. A tale scopo viene utilizzato vetro temperato a basso contenuto di ferro. Di solito è strutturato in modo da non abbagliare. Da diversi anni esistono vetri antiriflesso che hanno una permeabilità maggiore rispetto ai vetri strutturati. Tuttavia, costano un po 'di più.
Collettore a tubi sottovuoto
I collettori a tubi a vuoto sono costituiti da un gran numero di tubi a vuoto circondati da riflettori metallici. La luce solare viene quindi riflessa dai riflettori nel tubo. Questi contengono un assorbitore scuro. Poiché i tubi vengono evacuati, la perdita di calore è ridotta al minimo. Inoltre, temperature più elevate si verificano su un'area più piccola. Il collettore funziona efficacemente anche in presenza di luce solare diffusa. I collettori a tubi, ad esempio, generano tanta acqua calda su 3,5 metri quadrati quanto i collettori piani su una superficie di cinque metri quadrati. In estate questo è quasi completamente sufficiente per riscaldare l'acqua di una famiglia di quattro persone. In un anno, viene soddisfatto il 60% del fabbisogno di acqua calda della famiglia. Svantaggio: il collettore a tubi costa il doppio di un collettore a piastra.
Quando si tratta di collettori a tubi, va notato che ci sono due diversi tipi che introdurremo di seguito:
- Principio del tubo di calore
Ogni tubo chiuso forma un circuito chiuso. I raggi del sole che colpiscono l'assorbitore nel tubo fanno evaporare un liquido speciale. Nella parte superiore del tubo, il vapore si raffredda su un blocco dello scambiatore di calore. Il vapore si liquefa di nuovo. Il liquido nel tubo scorre di nuovo verso il basso - l'evaporazione ricomincia. Il calore rilasciato durante il processo riscalda il fluido circolante che scorre oltre lo scambiatore di calore. Il sistema di tubi di calore richiede un angolo minimo di inclinazione di circa il 30 percento affinché il circuito funzioni.
- Tubi con flusso diretto
Con questo sistema, il sole riscalda direttamente il fluido termovettore nel tubo assorbitore al centro del tubo. Il mezzo di trasferimento del calore attraversa diversi tubi. Un grande vantaggio di questo sistema è che i tubi possono essere montati verticalmente e orizzontalmente.
I collettori a tubi sottovuoto garantiscono rendimenti energetici ottimali anche in presenza di scarsa radiazione solare e nella stagione fredda.
Da quali condizioni dipende la resa?
Il rendimento annuo di un collettore solare dipende da diversi fattori:
- Le condizioni climatiche: possono esserci notevoli differenze tra le singole località all'interno della Germania. Esistono località con oltre 1.000 chilowattora per metro quadrato all'anno e località con meno di 900 chilowattora per metro quadrato all'anno.
- L'orientamento: il migliore è un orientamento a sud e un angolo di inclinazione di circa 45 gradi.
- Ombre da altri edifici o alberi.
- Inquinamento: la pioggia e la neve di solito rimuovono gran parte dello sporco. È meglio usare detergenti delicati e una spazzola morbida contro le macchie ostinate. Evita di usare pulitrici ad alta pressione.
La dimensione dei collettori per il riscaldamento dell'acqua
Chi utilizza i collettori piani ha bisogno di 1,5 metri quadrati di superficie del collettore per persona in casa per riscaldare l'acqua. Per collettori a tubi più potenti, è sufficiente 1 metro quadrato a testa. Regola empirica per le dimensioni del serbatoio di accumulo dell'acqua: calcolare 40 litri di acqua calda a 45 gradi Celsius per persona e per due volte al giorno 2. Una famiglia di 4 persone può cavarsela con 6 metri quadrati di collettori piatti o 4 metri quadrati di tubi e un serbatoio di stoccaggio con 300 litri. Costo: circa 3.500 euro.
Riscaldamento con solare termico
Per utilizzare il calore solare per il riscaldamento degli ambienti, calcolare da 3 a 4 metri quadrati di area del collettore per persona in case ben isolate. Il serbatoio di stoccaggio dovrebbe contenere circa 60 litri per metro quadrato di superficie del collettore, un po 'più grande per i collettori a tubi. Costo: da circa 6.000 euro. In una casa ben isolata, il sistema di riscaldamento solare può fornire fino al 25 percento dell'energia per il riscaldamento e l'acqua calda.
Effetto della neve
Una volta che i pannelli solari sono coperti di neve, di solito non producono più alcun rendimento. Spesso, tuttavia, in questi giorni comunque non c'è resa, perché la radiazione solare è solitamente troppo bassa.
Con i collettori a tubi, invece, una buona resa è ancora possibile nelle giornate limpide e fredde, quindi può essere utile rimuovere la neve.
Se il collettore solare è coperto di neve, di solito non assorbe la luce solare e quindi non può immagazzinare energia sotto forma di calore.
L'efficienza dei collettori solari e delle celle solari a confronto
Cosa c'è di più: collettori solari o celle solari? L'esperienza ha dimostrato che i collettori solari sono significativamente più efficienti dei moduli fotovoltaici. I collettori solari raggiungono efficienze di circa il 90 percento, con perdite di calore appena inferiori al 50 percento. Tuttavia, questo è ancora migliore dell'efficienza di un sistema fotovoltaico con un'efficienza di solo il 20 percento. La ragione di ciò è che la luce solare copre un ampio spettro. Qualsiasi tipo di radiazione può essere convertita in calore. Tuttavia, i sistemi fotovoltaici possono convertire solo una piccola parte della radiazione in elettricità.