La radiazione del sole
Il sole è costituito da un’enorme palla infuocata di gas incandescenti. Il processo di fusione trasforma l’idrogeno in elio e contemporaneamente sprigiona una potenza di 36 x 1024 Watt. La parte che incide sulla superficie terrestre sarebbe sufficiente a coprire 10.000 volte il fabbisogno di energia primaria di tutto il mondo. La potenza radiante del sole prima di entrare nell’atmosfera misura in media 1367 W/m2 e viene chiamata costante solare. Quando il cielo è sereno ne arrivano circa 1000 W/m2 sulla superficie terrestre, mentre quando il cielo è completamente coperto l’irradiazione diminuisce fino a circa 100 W/m2. Per l’utilizzo solare a scopo termico è interessante la somma della radiazione disponibile su tutto l’anno. L’Italia offre condizioni meteorologiche molto buone per l’uso dell’energia solare. Il valore di insolazione compreso tra 1200 e 1750 kWh/m2 all’anno presenta una differenza tra nord e sud intorno al 40%, rimanendo in entrambi i casi maggiore del fabbisogno annuo procapite di calore necessario per la preparazione di acqua calda nel residenziale. Circa il 75% della quantità di energia irradiata è da ascrivere ai mesi estivi, da aprile a settembre. La radiazione solare è composta da una determinata combinazione di raggi elettromagnetici di diversa lunghezza d’onda (spettro). L’atmosfera terrestre si comporta come un filtro permettendo il passaggio solo di determinati range di lunghezze d’onda. Una buona penetrazione si verifica nella zona della luce visibile. I raggi ultravioletti,
più corti, o quelli infrarossi, più lunghi, vengono riflessi, assorbiti o diffusi nell’atmosfera esterna. La somma della radiazione incidente su una superficie orizzontale viene definita radiazione globale. E’ costituita dalla radiazione diretta, che arriva direttamente dalla direzione del sole, e dalla radiazione diffusa, che dopo una o più deviazioni arriva da tutte le direzioni del cielo. In Italia la parte di radiazione diffusa copre al sud il 25% e al nord il 40% della radiazione incidente durante tutto l’anno. La somma della radiazione su una superficie con orientamento qualsiasi dipende essenzialmente dal suo orientamento (angolo sull’orizzontale e orientamento cardinale). La somma di radiazione massima si ottiene su una superficie orientata a sud con un angolo di inclinazione di circa 30°. Una superficie con angolo 45° con orientamento a sud-est o a sud-ovest registra una diminuzione della radiazione globale media annua inferiore al 5%. L’angolo di inclinazione ottimale dipende tuttavia anche dal tipo di impiego previsto. Per lo sfruttamento dell’energia solare per il riscaldamento degli ambienti può essere vantaggiosa un’inclinazione più ripida.

Il collettore solare
Un collettore solare trasforma la radiazione solare in calore e si distingue così da un pannello fotovoltaico, che trasforma la luce del sole in corrente elettrica. La figura mostra la struttura di un collettore piano.

L’elemento principale è l’assorbitore, che ha la funzione di assorbire la radiazione solare incidente a onde corte e di trasformarla in calore (trasformazione fototermica). Solitamente è composto da un metallo con buona capacità di condurre il calore (per esempio il rame) e dovrebbe riuscire a trasformare il più completamente possibile la radiazione solare in calore. Al giorno d’oggi nella maggior parte dei collettori piani o a tubi sottovuoto vengono impiegati assorbitori dotati di un cosiddetto strato selettivo, che determina un alto grado di assorbimento (a > 0,95) nel range delle lunghezza d’onda della radiazione solare e contemporaneamente irradiano poca energia, grazie a un basso fattore di emissività (e < 0,1) nelle lunghezze d’onda della radiazione termica. Gli strati selettivi possono essere ottenuti con procedimento galvanico (cromo, alluminio con pigmentazione al nickel) oppure applicati sotto vuoto (per esempio Tinox o Cermet). Un buon contatto termico tra l’assorbitore e un fluido termovettore in circolazione (per esempio acqua, glicole oppure aria) permette la cessione del calore al fluido termovettore e di conseguenza il trasporto fuori dal collettore del calore pronto per essere usato. Per ridurre le dispersioni termiche e per migliorare il rendimento del collettore, l’assorbitore viene provvisto di una copertura trasparente frontale, mentre lateralmente e sul retro viene coibentato. Nei collettori a tubi sottovuoto ogni striscia di assorbitore è inserita in un tubo di vetro in cui è stato creato il vuoto. Questo comporta un’ottima coibentazione che rende possibile il raggiungimento di temperature di lavoro anche nel campo del calore per processi industriali.

Funzionamento e composizione di un impianto solare
Un impianto a circolazione forzata è formato da un collettore solare a sé stante (o da una serie di collettori), connesso attraverso un circuito con un serbatoio localizzato nell’edificio. All’interno del circuito solare si trova acqua o un fluido termovettore antigelo. La pompa di circolazione del circuito solare è attivata da un regolatore differenziale di temperatura quando la temperatura all’interno del collettore è superiore alla temperatura di riferimento impostata nel serbatoio di accumulo. Il calore viene quindi trasportato al serbatoio di accumulo e ceduto all’acqua sanitaria mediante uno scambiatore di calore.
Mentre in estate l’impianto solare copre tutto il fabbisogno di energia per il riscaldamento dell’acqua sanitaria, in inverno e nei giorni con scarsa insolazione serve per il preriscaldamento dell’acqua. La parte del serbatoio che contiene l’acqua calda a pronta disposizione, cioè quella da tenere sempre in temperatura, può essere riscaldata da uno scambiatore di calore legato a una caldaia. Il riscaldamento ausiliario viene comandato da un termostato quando nel serbatoio la temperatura dell’acqua nella parte a pronta disposizione scende al di sotto della temperatura nominale desiderata.

Schema tipico di impianto solare termico

Un impianto solare termico ha il compito di trasferire il calore ricevuto dalla radiazione solare all’acqua destinata agli usi sanitari o ad altri usi termici. Per ottenere ciò in generale, oltre ai collettori solari, occorrono altri componenti ed apparecchiature, tra cui:
- un bollitore, che serve ad accumulare l’acqua calda prodotta dall’impianto, in modo da avere una riserva adeguata a soddisfare la richiesta in tutti i periodi del giorno;
- uno scambiatore di calore all’interno trasmette il calore dal circuito solare all’impianto idraulico dell’utenza;
- un circuito di collegamento idraulico, comprendente la tubazione di arrivo dell’acqua fredda, quella di uscita dell’acqua calda, più tutte le altre tubazioni, valvole e accessori necessari; ha una duplice funzione: quella di garantire il trasferimento del calore dai pannelli al bollitore, e quella di trasferire il calore così prodotto dal bollitore all’acqua calda destinata alle utenze;
- un circuito elettrico (solo per impianti a circolazione forzata), che comprende un circolatore per l’acqua ed una centralina di regolazione della temperatura.