Lucio Sciamanna
AUTOCOSTRUZIONE di un PANNELLO SOLARE TERMICO (alla scoperta dell’acqua calda)
MANUALE PRATICO
Sommario Avvertenze e sicurezza Il sole come fonte di energia Il picco di Hubbert e la fine del petrolio A cosa serve un pannello solare termico? Tipologie di pannelli solari termici Dimensionare un pannello solare termico Circuiti idraulici per l’acqua calda L’idea di partenza Il progetto I materiali Le attrezzature Le prime operazioni Il montaggio Il collaudo Un impianto a inseguimento solare autocostruito Rete per l’autocostruzione del solare termico Il solare termodinamico: una promessa per il futuro? Glossario e termini tecnici Note sull’autore
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A cosa serve un pannello solare termico? Un pannello solare termico serve a scaldare acqua con l’energia che ci arriva ogni giorno dal sole. Il sole irradia fino a 1000 W per metro quadrato di energia solare. Per avere un’idea di quanta energia ci viene regalata ogni giorno basta pensare che il sole in un anno irradia un totale di 30 volte l’energia contenuta in tutte le riserve mondiali di carbone, petrolio, gas naturale e uranio. L’assurdità è che solo lo 0,4 per cento dell’energia prodotta nel mondo proviene dal geotermico, solare ed eolico messi insieme. Un boiler elettrico da 50 litri che scalda l’acqua alla temperatura di 60 °C consuma mediamente 2600 Wh (cioè 2600 W per un’ora di funzionamento). Ammettendo che il nostro pannello solare termico riesca a convertire il 50 per cento di energia solare in energia termica, per scaldare lo stesso quantitativo di acqua ci basterebbero un’ora di sole e 5,2 metri quadrati di pannelli. Oppure, se utilizziamo l’acqua calda principalmente alla sera o alla mattina e abbiamo a disposizione tutta la giornata per scaldare la nostra acqua, ci basterà meno di un metro quadrato di pannello nel periodo estivo (circa 0,75 metri quadrati). Dal momento che il pannello solare termico sfrutta l’energia solare, non funziona di notte e nei giorni in cui il sole è coperto. Per ovviare a questo inconveniente si usa scaldare un accumulo di acqua (boiler scaldato dai pannelli solari termici). Questo accumulatore viene coibentato, cioè protetto in modo tale da non far raffreddare l’acqua calda durante la notte o nelle giornate nuvolose. Più sono i metri quadrati
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di pannelli e la quantità di acqua presente nell’accumulo e maggiore sarà la capacità di prelevare acqua calda nella giornata. Il rendimento maggiore si ottiene orientando il pannello a sud con una inclinazione che varia a seconda della stagione in cui si vuole avere la massima efficienza. Se vogliamo ottenere la massima efficienza nel periodo estivo inclineremo il pannello di 30° rispetto all’asse orizzontale; nel periodo invernale dovremo invece inclinare il pannello di 60° rispetto all’asse orizzontale.
Tipologie di pannelli solari termici Un pannello solare termico è una macchina che trasforma i raggi solari in acqua calda. Il rendimento di questa trasformazione è il rapporto tra l’energia solare che arriva sulla superficie del pannello e la quantità di calore trasferito al fluido vettore. L’obiettivo di chi vuole utilizzare questa tecnologia è massimizzare il rendimento. Un pannello solare termico è costituito da una superficie captante i raggi solari e da un sistema di scambio di energia. La superficie captante ha la funzione di trasformare l’energia dei raggi solari in energia termica. Per intuito sappiamo che un vestito scuro si scalderà molto di più di un vestito bianco. Con facilità possiamo capire che la scelta migliore sarà di utilizzare una superficie di colore scuro. Il colore nero ha come proprietà quella di assorbire la radiazione solare nel suo intero spettro. Da ciò deriva la scelta, agli inizi della tecnologia del solare termico, di colorare di nero la superficie captante del pannello.
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Il nero però ha un effetto indesiderato: è un ottimo emettitore di raggi infrarossi e pertanto non è il colore con il massimo rendimento. Ipotizziamo, per esempio, che il nostro pannello solare sia un piatto piano e che i raggi del sole siano come il getto d’acqua di una canna per annaffiare il giardino. Se noi dirigiamo il getto d’acqua verso il piatto piano cosa accade? Una parte dell’acqua entra nel piatto e una parte schizza fuori. Ebbene, il rapporto tra acqua che esce dalla canna e quella che rimane nel piatto si chiama rendimento.
Figura 2: esempio di pannello inclinato di 60° con le ombre create dal sole il 17 novembre a mezzogiorno.
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Per migliorare il nostro rendimento cambiamo il piatto piano con un piatto fondo. L’acqua che rimane nel piatto sarà adesso in maggiore quantità. Se vogliamo aumentare ulteriormente il rendimento del nostro esempio dovremo sostituire il piatto fondo con una pentola. L’acqua che rimarrà ora nella pentola sarà maggiore di quella che rimaneva nei piatti e pertanto il nostro rendimento sarà ulteriormente aumentato. Chiarito il significato di rendimento, possiamo capire come questo cambi in funzione ai trattamenti applicati alla superficie captante. La superficie captante di rame o alluminio, quando non è trattata, ha un rendimento che può essere migliorato considerevolmente. Una superficie trattata con materiali come “Tinox” e “Alunox” ha un rendimento molto alto perché la maggior parte dei raggi del sole viene captata e utilizzata per scaldare l’acqua. In commercio ci sono due categorie principali di pannelli solari: ● ●
pannelli a superficie piana pannelli sottovuoto
La tecnica per captare i raggi solari è nei due casi la stessa: si espone una superficie captante al sole. Ma, mentre il modello sottovuoto viene protetto dal freddo esterno (perdite da conduzione) attraverso l’uso di un tubo di vetro in cui è stato creato il sottovuoto, quello a superficie piana viene protetto mediante l’uso di un vetro e lana di roccia.
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I pannelli sottovuoto hanno un rendimento maggiore perché il vuoto ha minori perdite per conduzione; hanno però un costo maggiore e pertanto sono indicati in luoghi dove il clima è rigido, oppure nel caso in cui si abbia poco spazio a disposizione. Vediamo ora nel dettaglio i due pannelli. Ogni modello in commercio si potrà discostare per alcuni dettagli dalla descrizione seguente. Pannello solare termico a superficie piana
Figura 3
Il pannello a superficie piana è formato da un ripiano captante (captatore o assorbitore), un cassone per contenere l’assorbitore, lana di roccia ai lati e sul fondo per isolare termicamente, e un vetro piano prismatico ad alta trasparenza per far passare i raggi del sole. La figura 3 mostra l’esploso di un pannello a superficie piana nei suoi componenti fondamentali.
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Nella figura 4, la vista frontale del pannello a superficie piana.
Figura 4
Pannello solare termico a tubi sottovuoto
Figura 5
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Il pannello a tubi sottovuoto è formato da tanti tubi di vetro al cui interno, per ognuno, è posizionato un assorbitore circondato dal sottovuoto. Tutti i tubi confluiscono in un collettore che funge anche da supporto meccanico e di fissaggio. La figura 6 mostra il tubo sottovuoto singolo. Potete notare che all’interno del tubo di vetro è presente un assorbitore simile a quello usato nei pannelli a superficie piana.
Figura 6
Esistono anche dei modelli costruiti per un uso specifico. Per esempio al mare vengono utilizzati pannelli solari semplici, costruiti con un tubo di polietilene nero (il tubo di plastica nera rigida usato nei circuiti idraulici dei giardini) che viene racchiuso in un contenitore di plastica trasparente. Questi pannelli servono a scaldare l’acqua delle docce. In questo caso specifico possiamo risparmiare sui materiali perché grazie alle temperature estive non è necessario proteggere il pannello dal
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freddo. In aggiunta in estate tendiamo a fare la doccia piÚ tiepida che bollente e questo si traduce nella possibilità di utilizzare un pannello solare poco efficiente. Seguono alcune immagini con esempi di pannelli solari posizionati su tetti di abitazioni. Nella figura 7 potete vedere come si presenta un impianto a circolazione naturale: il boiler di accumulo può essere colorato di un colore simile alle tegole e questo gli fa assumere un aspetto esteticamente gradevole.
Figura 7: impianto a circolazione naturale.
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Nella figura 8, possiamo osservare un impianto dotato di pannello sottovuoto. In questo caso il pannello solare termico è stato montato su un tetto piano. Traete voi le considerazioni su cosa sia preferibile, da un punto di vista puramente estetico, tra una parabola televisiva ed un pannello solare termico, che presenta senza dubbio una linea molto piÚ gradevole alla vista.
Figura 8: impianto con pannelli solari sottovuoto.
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In questa pagina è raffigurato un pannello solare termico sottovuoto. Notate come la struttura di sostegno sia ridotta a niente grazie al peso contenuto del pannello stesso e al basso effetto vela che produce. Negli ingrandimenti qui a fianco, è visibile il pannello da entrambi i lati: potete osservare gli spazi vuoti tra un tubo assorbitore e quello successivo. Lo spazio vuoto fa sì che l’aria possa passare, diminuendo l’effetto vela dell’intero pannello solare.
Figura 9-10-11: al centro, un esempio di pannello solare sottovuoto e, a sinistra, i particolari del fronte e del retro dei tubi assorbitori.
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Lucio Sciamanna
AUTOCOSTRUZIONE di un PANNELLO SOLARE TERMICO (alla scoperta dell’acqua calda)
MANUALE PRATICO
Lucio Sciamanna, progettista elettronico e consulente per l’utilizzo appropriato delle energie rinnovabili, è editore e curatore del sito internet www.sciamannalucio.it. Vive e lavora in provincia di Brescia, dove coordina numerosi progetti di energia rinnovabile destinati agli aiuti umanitari. Con Terra Nuova Edizioni ha pubblicato anche il libro Autocostruzione dei pannelli fotovoltaici, arrivato alla sua 4ª edizione.
www.terranuovaedizioni.it Desideri costruire un pannello solare termico per la tua abitazione? Questo manuale ti spiegherà come fare, guidandoti nella scelta del materiale necessario, da reperire usato o da acquistare a costo modico, nell’assemblaggio dei pezzi con l’adeguata attrezzatura, fino al collaudo dell’impianto. Il pannello solare ha la funzione di catturare l’energia termica irradiata dal sole e di renderla fruibile sotto forma di acqua calda per l’uso domestico: un metodo ecologico, dunque, che sfrutta una fonte rinnovabile, che rispetta l’ambiente in quanto non produce inquinamento atmosferico e che consente un notevole risparmio sulla bolletta energetica. Questo libro, corredato di immagini esplicative e ricco di numerosi e pratici consigli per l’autocostruzione, ti aiuterà a realizzare con facilità un pannello solare termico a basso costo e nel pieno rispetto dell’ambiente, e ti fornirà inoltre interessanti spunti sull’utilizzo delle fonti energetiche alternative per un futuro sempre più «rinnovabile». ISBN 88-88819-53-2
9 788888 819532
€ 12,00