Energia solare

Energia solare
Impianto solare (Foto: Agenzia provinciale per l'ambiente)

Come energia solare viene definita l'energia raggiante dal sole sull'atmosfera terrestre che ammonta in media a 1.353 watt/m2 di una superficie posizionata in senso verticale ai raggi del sole. Questo valore è abbastanza stabile nel tempo e viene anche definito come “costante solare”. L'atmosfera terrestre e le sostanze in essa contenute, aria, ozono, vapore acqueo, polvere e altri componenti, assorbono e riflettono una parte dell'energia, in modo che sulla superficie terrestre arrivano ancora due terzi dell'energia raggiante.

In una giornata limpida, una superficie orizzontale è colpita da circa 1000 watt/m2, quando il sole ha raggiunto il punto più alto. Se questa quantità di energia è messa in relazione all'intera superficie terrestre volta verso il sole (una superficie circolare con un diametro di quasi 14.000 km), nel corso di un anno si ottiene un'enorme quantità di energia pari a 1018 kWh. Essa corrisponde all'incirca a 13.000 volte l'energia consumata nell'arco di un anno in tutto il mondo.

E questo potenziale di energia deve essere utilizzata. Molti argomenti sostengono l’utilizzo dell’energia solare. Il sole come fonte energetica è infinita, ecologia e gratuita e ci rende autonomi da un’importazione di fonti energetici fossili e costosi. In più l’utilizzo dell’energia solare che può essere utilizzata direttamente a scopi energetici per produrre calore (energia solare termica) o energia elettrica (fotovoltaico) con varie tipologie di impianti, trova condizioni climatiche favorevoli in Alto Adige.

 

Potenziale solare in Alto Adige e nel Land Tirol

Per favorire ulteriormente l’utilizzo dell’energia solare all’interno del progetto Interreg IV Solar Tirol sono state create banche dati georeferenziate e un catasto solare per il Land Tirol e per la Provincia Autonoma di Bolzano-Alto Adige.
Qui trova la pubblicazione con i link alle banche dati e al catasto.

Riscaldamento dell'acqua sanitaria
Uno dei modi più evidenti di usare l'energia solare è il riscaldamento dell'acqua sanitaria. Questo tipo di applicazione sembra essere interessante, poiché in molte case unifamiliari e plurifamiliari l'acqua calda sanitaria si ottiene con la caldaia, e proprio nei mesi estivi questi impianti mostrano un pessimo rendimento. Dall'altro canto, d'estate l'offerta di energia solare è molto grande, perciò basta una superficie limitata di collettori solari (circa 6-10 m2 per una famiglia composta da 4 a 8 persone) e un accumulo relativamente piccolo (0,5-1 m3). Inoltre la temperatura dell'acqua calda, generalmente usata, è relativamente bassa, e quindi si possono ottenere dei buoni rendimenti anche con un impianto relativamente semplice. In linea di massima si usa una superficie che assorbe la maggior parte della radiazione solare e che quindi si riscalda. Questo calore viene poi trasportato mediante un termovettore liquido (di solito si usa l'acqua con una sostanza anticongelante) al serbatoio tramite uno scambiatore di calore. Per i periodi, in cui l'insolazione non è sufficiente, si deve provvedere ad un riscaldamento ausiliario.

Principio del riscaldamento dell'acqua con collettori solari

Per rendimento di un collettore solare si intende il rapporto tra potenza utile ceduta dal collettore e la potenza dell'energia solare irradiata sulla superficie del collettore. Strumenti efficaci per la valutazione della qualità di un collettore sono le caratteristiche che indicano la resa in relazione alla differenza tra la temperatura media del liquido contenuto nel collettore e la temperatura dell'aria esterna. Questo divario di temperatura spesso si divide ancora per l'energia solare irradiata sulla superficie del collettore; così si ottiene un decorso quasi lineare. Per poter determinare l'inclinazione ottimale dei collettori solari c'è una regola molto semplice. Il valore massimo di energia irradiata nel corso di un anno si ottiene con un angolo d'inclinazione del collettore pari al grado di latitudine geografica (che per l'Alto Adige e tra 46° e 47°). Il valore massimo invernale si ottiene con un'inclinazione del collettore uguale al grado di latitudine più 15°, quello estivo invece con un'inclinazione del collettore uguale al grado di latitudine meno 15° (in Alto Adige quindi a rispettivamente circa 60° e 30°). Oltre all'inclinazione orizzontale è molto importante anche l’orientamento dei collettori. L’orientamento ideale consiste nell’esposizione del collettore verso sud. La diminuzione del rendimento è lieve, fin quando la deviazione da sud non superi i 15°. La deviazione dall’esposizione verso sud nel caso ideale non dovrebbe però superare i 30°.

Grafico sull'insolazione media su superfici dí diverse inclinazioni nella nostra regione nel corso di un anno

Aumentando la superficie del collettore adeguatamente, l’acqua calda prodotta può essere usata non solo come acqua sanitaria, ma anche per l'integrazione nel riscaldamento degli ambienti. Il principio di funzionamento dell'impianto rimane invariato. Affinché questo tipo d’impianto possa però funzionare bene, si devono considerare alcuni criteri di progettazione. Poiché l'impianto dovrebbe servire all'integrazione del riscaldamento nelle mezze stagioni e durante l'inverno, negli intervalli dell'anno in cui l'insolazione è più bassa che d'estate, la superficie del collettore prevista deve essere di dimensioni adatte. Inoltre, in questi periodi le temperature esterne sono basse, e quindi i collettori solari devono essere protetti il meglio possibile da perdite di calore. Inoltre anche il serbatoio termico deve essere più grande per poter garantire d'inverno un'integrazione del riscaldamento il più continuativo possibile e per poter fungere nelle mezze stagioni anche da caldaia sostitutiva. Per un buon funzionamento dell'impianto è vantaggioso applicare un sistema di riscaldamento che può funzionare anche con basse temperature dell'acqua, poiché un'inferiore temperatura media dell'acqua contribuisce a ottenere dei buoni rendimenti dei collettori anche con una temperatura dell'aria esterna bassa. Inoltre diminuiscono in questo modo le perdite nel serbatoio termico e durante il trasporto dell'acqua calda dai collettori al serbatoio e dal serbatoio agli ambienti da riscaldare.
Con una bassa temperatura dell'acqua funzionano particolarmente bene i sistemi di riscaldamento a superficie come il riscaldamento a pavimento, a parete o a soffitto. Ma anche i radiatori con grandi superfici, i cosiddetti radiatori a bassa temperatura, sono molto efficienti. Progettato correttamente, d'inverno questo sistema può servire per preriscaldare l'acqua che poi viene portata alla temperatura necessaria per il riscaldamento nella caldaia tradizionale con consumi inferiori di energia. Nelle mezze stagioni, questo sistema può sostituire la caldaia per periodi più o meno lunghi, a seconda della progettazione e delle condizioni meteorologiche. Per una realizzazione finanziariamente sostenibile e per un buon funzionamento dell'impianto è però indispensabile che gli ambienti da riscaldare e l'edificio nel suo insieme abbiano un buon isolamento termico e che quindi non presentino un fabbisogno di energia termica troppo elevato, che si tratti dunque di una cosiddetta “casa a basso consumo di energia”. Gli impianti che sono progettati per l'integrazione del riscaldamento degli ambienti durante l'inverno, d'estate forniscono però quantitativi di energia termica molto più elevati di quelli necessari per il riscaldamento dell'acqua sanitaria, va quindi previsto come poter utilizzare questa eccedenza di energia, ad esempio nel riscaldamento di una piscina. Se questa possibilità non dovesse sussistere, si deve provvedere al raffreddamento dei collettori, ad esempio con l'aiuto di acqua d'irrigazione o simili.

Oltre all'uso dell'energia solare per mezzo di sistemi “attivi”, cioè sistemi che si basano su un meccanismo proprio, più o meno complicato, esiste anche la possibilità dell'uso “passivo” dell'energia solare, o meglio l'uso dell'energia solare tramite una determinata disposizione dei componenti architettonici. Uno dei fattori più importanti è la scelta della posizione dell'edificio (se possibile) e l'orientamento dell'edificio e dei componenti architettonici a seconda dei punti cardinali.
Verso sud l'edificio dovrebbe disporre di finestre grandi, affinché, soprattutto d'inverno quando il sole è basso, la sua luce possa entrare nelle stanze e riscaldarle. Per evitare il surriscaldamento delle stanze durante l'estate, le finestre dovrebbero essere protette dall'incidenza della luce solare nelle ore di maggiore esposizione. Ciò si può fare per mezzo di una pensilina abbastanza grande, un balcone oppure degli appositi schermi parasole. Gli ambienti principali, come salotto, cucina, studio, dovrebbero essere orientati verso sud. Il lato dell'edificio orientato verso nord dovrebbe invece disporre di finestre il più piccole possibili da usare per l'incidenza della luce e per l’areazione.
Il riscaldamento passivo degli ambienti si basa sull’”effetto serra”. La radiazione solare ad onde corte entra in una stanza passando attraverso una facciata trasparente (finestra)e si trasforma in calore cadendo su superfici e oggetti. Le superfici e gli oggetti nella stanza si riscaldano ed emettono a loro volta radiazione termica a onde lunghe che però passa per il vetro della finestra soltanto in minima parte. La quantità di energia raggiante che entra nella stanza è quindi molto più elevata di quella che esce dall'ambiente, in modo che quest’ultimo si riscalda. Evidentemente l'efficacia del riscaldamento acquista d'intensità, quando le superfici dell'ambiente o dell'edificio non esposte al sole sono protette dalle perdite di calore. Ci vuole però un dimensionamento corretto per evitare il surriscaldamento dell'ambiente.

Se alcune delle superfici interne dell'ambiente (soprattutto quelle irradiate direttamente dal sole) sono costituite da materiali compatti che accumulano il calore, la temperatura nell'ambiente aumenta soltanto di poco durante l'insolazione; il calore accumulato viene ceduto tramite convezione e radiazione a onde lunghe, quando l'insolazione nell'ambiente viene a mancare. Poiché l'emissione di calore avviene per la maggior parte tramite la radiazione superficiale delle pareti e del pavimento, nell'ambiente si crea un clima gradevole, sebbene la temperatura dell'aria sia relativamente bassa.
Un sistema semplice per l'uso passivo dell'energia solare è costituito da ampie finestre, orientate a sud, e di ambienti racchiusi da muri costruiti in un materiale che accumula il calore e che verso l'esterno dispongono di un buon isolamento termico. Le perdite per emissione notturna dovute alle grandi finestre orientate verso sud possono essere ridotte applicando delle coperture mobili (persiane avvolgibili, veneziane). Per poter garantire negli ambienti un clima gradevole anche durante l'estate, è necessario usare un parasole che eventualmente può essere mobile, che non ostacoli la vista e che d'estate riduca l'irradiazione solare delle finestre, per evitare così l'effetto serra indesiderato in questo periodo dell'anno.

Se direttamente dietro la vetrata orientata a sud si dispone un muro di accumulo, questo sistema si definisce “Muro di Trombe”. Questo muro funge contemporaneamente da collettore e da accumulatore. Se il lato esterno del muro di accumulo è di colore scuro, il suo potere assorbente aumenta. L'energia assorbita dal muro di accumulo durante il giorno viene ceduta al locale interno in modo abbastanza costante rispettando le oscillazioni dell'insolazione.

Ingrandendo lo spazio tra la superficie in vetro e il muro collettore-accumulatore collocato dietro di essa, in modo da essere utilizzabile, si crea una veranda con un funzionamento analogo al muro di Trombe. La veranda può essere utilizzata per la coltivazione di piante, frutta, verdura oppure semplicemente come integrazione accogliente e sempreverde dell'abitazione. Nella progettazione di verande è indispensabile prevedere una separazione chiudibile, per esempio una porta scorrevole, tra veranda e abitazione per evitare dispersioni di calore dall’abitazione alla veranda nelle ore notturne e nelle giornate prive di insolazione.

 

 

Gli impianti fotovoltaici trasformano l’energia solare in energia elettrica. E’ una fonte energetica che viene impiegata dal 1958, in una prima fase ai fini dell’approvvigionamento energetico dei satelliti mediante celle solari. La crisi energetica degli anni Settanta e una maggiore consapevolezza ambientale hanno indotto il mondo politico a incentivare lo sviluppo del fotovoltaico rendendolo, grazie alla tecnologia, più interessante anche in termini economici. Oggi gli impianti fotovoltaici vengono utilizzati per la produzione di energia elettrica in tutto il mondo. Possono rappresentare l’unica fonte di approvvigionamento energetico nei cosiddetti sistemi a isola oppure essere utilizzati per l’immissione di corrente alla rete di approvvigionamento pubblico.

Grafik 12

Descrizione tecnica
Il flusso di energia solare che arriva sulla terra è pari a 15.000 volte l’attuale consumo energetico totale. La quota di energia luminosa rappresenta all’incirca il 75%. Grazie agli impianti fotovoltaici questa energia radiante può essere trasformata direttamente in elettricità senza produrre emissioni (come il biossido di carbonio).
Per trasformare la luce in energia si utilizzano le celle solari degli impianti fotovoltaici.
L’elettricità prodotta può essere utilizzata in loco, accumulata o trasferita alla rete. Quando l’energia viene immessa nella rete, un inverter trasforma la corrente continua in corrente alternata.

Grafico 8

Fra le tipologie di impianto fotovoltaico esiste anche quello definito “a isola” utilizzato come unica fonte di produzione energetica (ad esempio nei masi di montagna o per gli impianti di irrigazione). Per garantire un approvvigionamento energetico costante, l’energia viene stoccata in accumulatori.
I costi di produzione dei moduli solari incidono in maniera decisiva sulla produzione di corrente fotovoltaica facendola risultare così più costosa rispetto a quella generata con impianti tradizionali.  Tuttavia una parte consistente dei costi successivi alla produzione energetica convenzionale non vengono considerati nelle tariffe energetiche.
La forte irregolarità dell’irraggiamento solare variabile secondo le stagioni, l’ora del giorno e le condizioni meteorologiche, rende difficoltoso l’impiego degli impianti fotovoltaici che tuttavia rappresentano un elemento importante del sistema di generazione energetica.
A fronte di un irraggiamento solare apparentemente immenso, a causa del grado di rendimento attualmente basso, gli impianti fotovoltaici hanno un grosso impatto in termini di estensione delle superfici da attrezzare a celle solari. Un impianto ad energia eolica della potenza di 5 MW produce la stessa quantità di energia di un impianto a pannelli solari dell’estensione di 500 m x 500 m (25 ha).
Potenza e resa annua
La potenza nominale di un impianto fotovoltaico si misura in Wp (Watt peak) e in kWp (chilo Watt peak), valore riferito alla potenza a una temperatura modulare di 25°C e 1000 W/mq di irraggiamento. Con questo irraggiamento massimo e in situazioni di regime normale i moduli solari hanno una temperatura di esercizio notevolmente più elevata, ma una potenza nettamente minore poiché la loro resa cala con l’aumento della temperatura. Per questa ragione, a differenza dei  collettori solari termici, i moduli fotovoltaici non vanno integrati direttamente nei tetti, ma sollevati a una distanza sufficiente da garantirne l’aerazione e il raffreddamento.
Esistono diverse tipologie di celle solari con costi e caratteristiche diversi. Il rendimento dei moduli solari attualmente sul mercato oscilla dal 10% al 16%.
Il criterio più importante per la realizzazione di un impianto fotovoltaico è la resa annua media auspicata che dipende dalla potenza nominale e dalla resa dei moduli, dall’orientamento e dalla pendenza dell’impianto e dalle condizioni climatiche. Da anni la resa media annuale va aumentando costantemente con il miglioramento dei moduli e degli inverter e oggi in Alto Adige, in condizioni ottimali di orientamento e di pendenza, raggiunge valori fra i 1000 e i 1200 chilowattora per kWp. Nell’installazione degli impianti è richiesta particolare attenzione nell’evitare possibili zone d’ombra che potrebbero ridurre notevolmente la resa annua.


Riferimenti normativi: consulta la pagina sulla legislazione

Contatto: Ufficio Risparmio energetico