Come funzionano i pannelli solari

Ormai siamo abituati a vederli sempre più spesso sulle abitazioni, nelle aree incolte, nei pressi di fabbriche o di aziende all’avanguardia: ma come funzionano esattamente i pannelli solari?

Iniziamo cercando di capire a che cosa ci si riferisce quando si parla di pannelli solari:

• Pannello solare termico – riscalda un fluido nell’ambito di un impianto di riscaldamento o produzione di acqua sanitaria;
• Pannello solare a concentrazione – riscalda un fluido per generare con un turbo-alternatore energia elettrica;
• Pannello solare fotovoltaico – composto da celle fotovoltaiche, converte direttamente in energia elettrica sfruttando l’effetto fotovoltaico;
• Pannello solare ibrido – è un esempio di cogenerazione fotovoltaica, con accoppiamento di un pannello solare termico con un pannello solare fotovoltaico.

In generale quando si parla di pannelli solari ci si riferisce ai pannelli solari termici, non ai pannelli comunemente chiamati fotovoltaici, che generano energia elettrica.

Le funzioni e caratteristiche di un pannello solare termico

Il pannello solare termico, anche denominato tecnicamente “collettore solare”, è un dispositivo dedicato alla conversione delle radiazioni solari in energia termica. Ci si riferisce solitamente per estensione anche al suo impianto di trasferimento, che lo trasporta verso un accumulatore termico per un uso successivo.

Ci sono diverse applicazioni per questo tipo di impianto: acqua calda sanitaria (o di processo in alcuni casi industriali), riscaldamento o raffrescamento degli ambienti.

Il sistema è principalmente composto dalla linea che collega il pannello al serbatoio coibentato, e dalla linea che dal serbatoio distribuisce l’acqua calda alle utenze.

I diversi impianti si possono distinguere in base a come viene fatta fluire l’acqua nella linea pannello-serbatoio.

Le diverse tipologie sono:

• Circolazione naturale;
• Circolazione forzata.

La circolazione naturale ha diverse caratteristiche. Innanzitutto per far circolare il fluido vettore nel sistema solare viene sfruttata la convezione: il liquido vettore scaldandosi all’interno del pannello si dilata e diventa più leggero di quello freddo presente nello scambiatore del serbatoio di accumulo. Si sposta dunque nello scambiatore (posto più in alto rispetto al pannello) fornisce dunque calore all’acqua contenuta nel serbatoio di accumulo. Dando il calore si raffredda fino ad uscire dal serbatoio e rientrare nel pannello dal basso.

Il liquido usato nel circuito primario è glicole propilenico atossico (noto comunemente con il nome di “antigelo”), che viene miscelato con acqua in percentuali tali da evitare che le tubazioni possano gelare durante la notte o nel periodo invernale. In effetti, il solare termico a circolazione naturale è poco indicato per zone in cui ci sia un clima molto rigido.

Alle volte vengono integrate resistenze elettriche all’interno del serbatoio per assicurare una costante disponibilità di acqua calda anche durante la notte.

Il sistema a circolazione forzata invece è caratterizzato dalle pompe che aiutano il liquido a circolare, solo quando però il liquido all’interno del pannello si trova ad una temperatura più elevata rispetto a quella dei serbatoi di accumulo.

Per queste regolazioni vengono utilizzati dei sensori elettrici che confrontano le temperature (dette termocoppie). Questo impianto è più consigliato per le rigide zone di montagna o nel caso la struttura che installa l’impianto abbia un notevole risparmio, in quanto i consumi di energia e i costi di gestione dell’impianto incidono sul risparmio a causa dell’utilizzo della pompa elettrica.

A livello costruttivo (indipendentemente dal tipo di circolazione) invece i pannelli solari termici si possono identificare per:

• Pannelli solari termici piani o non vetrati o scoperti o vetrati;
• Non selettivi;
• Selettivi o ad aria;
• Pannelli solari termici sottovuoto o tubo a U o heat pipe;
• Pannelli solari termici con serbatoio integrato;
• Pannelli solari termici a concentrazione.

I pannelli solari termici piani non vetrati o scoperti, è facilmente intuibile, sono privi di vetro che separi (e dunque coibenti) i tubi all’interno del pannello dall’esterno. Solitamente sono meno i costosi e hanno un ottimo rendimento in condizioni ottimali di irraggiamento e quando la temperatura esterna è alta.

A causa della mancanza dell’isolamento il loro rendimento diminuisce rapidamente all’allontanarsi dalle condizioni ottimali. Il limite di questi pannelli è che, non essendo coibentati, necessitano di una temperatura ambiente di almeno 20 °C (al di sotto il bilancio tra energia accumulata ed energia dispersa è sfavorevole), e la temperatura massima dell’acqua non supera mai i 40 °C.

Sono adatti perciò al solo uso stagionale ed esclusivamente per la produzione di acqua calda sanitaria, sono spesso impiegati nel riscaldamento delle piscine.

I pannelli solari termici piani vetrati hanno una struttura attorno all’assorbitore che ne limita le dispersioni sia per convezione con l’aria che per irraggiamento grazie al vetro, che ricopre la parte superiore dell’assorbitore, che è progettato per questa funzione. Hanno un rendimento leggermente inferiore ai non vetrati in condizioni ottimali chiaramente, ma in condizioni meno favorevoli hanno un rendimento decisamente più alto, arrivando a produrre acqua calda per uso sanitario circa da marzo a ottobre in praticamente tutta Italia.

I pannelli solari termici vetrati selettivi consistono in un particolare trattamento dell’assorbitore che lo rende più ricettivo al calore, per questo sono più efficienti nei periodi meno favorevoli, mentre quelli non selettivi hanno semplicemente l’assorbitore colorato di nero in modo da attirare maggiormente la radiazione solare.

I pannelli solari termici piani ad aria fanno fluire nel circuito primario semplice aria anziché acqua. L’aria circola tra vetro e assorbitore o, in alcuni casi, in un’intercapedine ricavata tra l’assorbitore e il fondo di poliuretano isolante. Questi ultimi sono studiati in modo tale che l’aria permanga più tempo possibile nel pannello solare poiché scambia più difficilmente il calore rispetto all’acqua.

I pannelli solari termici sottovuoto sono in grado di garantire un maggiore apporto energetico anche in condizioni di basso irraggiamento o basse temperature esterne, esistono principalmente due tipi di collettori sottovuoto, detti anche collettori a tubi sottovuoto, quelli che contengono un tubo a U in cui circola direttamente il liquido che assorbe il calore e quelli Heat pipe che contengono un tubo in rame chiuso alle estremità contenente un liquido in bassa pressione che evapora riscaldandosi e si condensa nella parte alta del tubo cedendo il calore all’acqua sovrastante.