Tecnologia solare termico e riscaldamento dell’acqua: la storia

La tecnologia solare termico ha come principio di base il trasferimento della radiazione solare in calore attraverso un sistema termodinamico che è essenzialmente un generatore o un motore. Questo processo crea energia meccanica che può essere utilizzata per generare elettricità. Questo sistema è diverso da un pannello solare in quanto un pannello solare utilizzerà direttamente l’energia del sole per generare elettricità. Esistono registrazioni del riscaldamento solare dell’acqua risalenti a più di cento anni fa, fino al 1896, quando fu inventato negli Stati Uniti.

Sviluppo iniziale della tecnologia solare termica e dei pannelli solari

I pannelli solari termici, il cui nome tecnico è quello di collettori solari, sono dei dispositivi utili per la trasformazione della radiazione solare in energia termica, già qui vi è quindi una vera e propria differenzia con il pannello fotovoltaico, il quale, invece, serve per la produzione di corrente elettrica.
Tuttavia, la nascita dei pannelli solari è assai risalente, essi, infatti, possono essere fatti risalire addirittura all’impero romano, tuttavia, sarà con Leonardo Da Vinci, che nel 1500 amplierò lo studio di alcune parabole utili per utilizzare l’energia solare.

I primi esempi di scaldacqua solari erano essenzialmente scatole che venivano dipinte di nero e riempite d’acqua, siamo nei primi decenni del 1700. Un grande svantaggio di questo sistema era che ci voleva tutto il giorno anche in condizioni ottimali per riscaldare l’acqua e che questa avrebbe perso rapidamente calore durante la notte per la mancanza di mezzi di isolamento o ritenzione di calore. L’inventore Clarence Kemp ha sviluppato un nuovo sistema che ha migliorato la capacità degli scaldacqua solari di trattenere il calore. I suoi miglioramenti al sistema originario hanno fatto sì che il riscaldamento solare dell’acqua diventasse commercialmente praticabile su larga scala per la prima volta. Il sistema è stato il primo scaldabagno e ha incorporato lo stoccaggio e la raccolta di acqua calda all’interno di una scatola di legno.

Sistemi termosifonici, precursori della tecnologia solare termica

Un altro pioniere notevole della tecnologia solare termica fu William Bailey che nel 1909 creò un design compatto più ergonomico e divenne un leader di mercato nel settore dell’energia solare termica. Il sistema inventato da Bailey fu il primo sistema a termosifone che posizionò il serbatoio sul tetto e un collettore sotto. Il sistema di Bailey significava anche che l’acqua calda potesse essere utilizzata giorno e notte, il che rappresentava un grande miglioramento rispetto al vecchio sistema. A partire dagli anni Trenta, l’uso del riscaldamento solare dell’acqua era diffuso in tutta la California e la Florida. Il sistema a termosifone di Bailey funziona riscaldando passivamente un liquido come l’acqua. L’energia solare viene utilizzata per creare energia termica immagazzinata in un collettore solare. L’acqua può essere fatta circolare attraverso il collettore per il riscaldamento oppure può essere trasferita in un serbatoio attraverso uno scambiatore di calore. L’acqua riscaldata dall’energia solare scorre attraverso tubi di rame in quanto è meno densa dell’acqua fredda. Il liquido viene fatto circolare come un circuito chiuso con il liquido meno denso che scambia il suo calore all’interno del serbatoio o del collettore.

All’inizio del XX secolo

Nella prima metà del XX secolo circa il trenta per cento delle case in Pasadena in California aveva sistemi di acqua calda alimentati a energia solare. C’era anche un’industria solare in forte espansione in Florida che divenne un importante produttore di sistemi di tecnologia solare termica di riscaldamento. A seguito dell’utilizzo del rame solo a scopi militari durante la seconda guerra mondiale, l’industria del solare termico si ridusse considerevolmente e causò un calo di interesse per l’energia solare termica, ma l’industria si riprese dopo la seconda guerra mondiale. Il primo settore del riscaldamento solare era principalmente limitato alla California e alla Florida perché la tecnologia solare termica all’epoca si sarebbe congelata durante l’inverno. Dopo la fine della seconda guerra mondiale, oltre il 50% delle case di Miami aveva installato il riscaldamento solare dell’acqua.

Avanzamenti nella tecnologia solare termica

Grandi progressi nella tecnologia solare termica furono fatti negli anni settanta del Settecento quando il prezzo del petrolio iniziò a salire e l’uso dell’energia solare fu presa in considerazione dal programma spaziale che iniziò la ricerca sull’energia solare termica. Lo sviluppo serio della tecnologia solare termica di riscaldamento iniziò alla fine degli anni settanta del XIX secolo, e coincise con l’avvertimento iniziale di una connessione tra i cambiamenti climatici e i combustibili fossili. Il miglioramento definitivo arrivò con l’integrazione con i sistemi antigelo durante gli anni ottanta.

Sviluppo moderno della tecnologia solare termica

Importanti programmi di finanziamento per l’energia solare sono stati promossi durante negli anni ottanta, creando un forte impulso per l’industria con molte nuove società nate per soddisfare la domanda di energia rinnovabile negli Stati Uniti. Il contributo allo sviluppo ed alla diffusione della tecnologia solare termica hanno contribuito molti paesi del mondo, soprattutto la Spagna e l’Australia ancora tra gli attuali leader di mercato. Israele ha contribuito in modo sostanziale allo sviluppo di quest’industria sin dagli anni cinquanta.  Durante gli anni Cinquanta ingegneri e scienziati israeliani hanno ideato una superficie più efficiente per i pannelli solari. Le nuove superfici furono chiamate superfici nere selettive ed erano più efficaci nel raccogliere e immagazzinare calore che era particolarmente utile quando applicato al riscaldamento solare dell’acqua.
Nel 2007 la Spagna ha costruito le prime torri solari interamente commerciali d’Europa. Le torri utilizzano un sistema di stoccaggio del sale fuso per garantire che l’energia sia disponibile ventiquattro ore al giorno. Il sistema di archiviazione garantisce inoltre la disponibilità di energia anche durante i giorni nuvolosi. La Spagna è attualmente il quarto produttore e leader mondiale nella tecnologia solare e la maggior parte della produzione di energia solare della Spagna viene esportata in tutta Europa. L’industria solare continua ad essere in prima linea nella rivoluzione energetica, contribuendo a portare il passaggio da un’economia guidata dai combustibili fossili a un futuro guidato dalle energie rinnovabili.

La tecnologia solare termica oggi

Normalmente, un qualsiasi sistema di tecnologia solare termica, è composto da un pannello che riceve l’energia solare da uno scambiatore, in cui è presente un fluido, utilizzato per immagazzinare l’energia. Il sistema può avere, una circolazione naturale o forzata. La differenza sta nel fatto che nel primo tipo di circolazione, il liquido si riscalda, si dilata e galleggia rispetto a quello più freddo dello scambiatore. Un impianto a circolazione naturale, è soprattutto adatto alle zone, alle regioni, con temperature notturne molto meno rigide.

I pannelli solari termici, possono suddividersi in varie categorie

Si distinguono infatti:

I pannelli solari termici piano non vetrati o scoperti, i quali, hanno i vantaggio di essere economici, ma il loro funzionamento ottimale sparisce quasi del tutto all’allontanarsi delle condizioni ottimali. Pertanto, di questi tipi di pannelli, se ne consiglia un uso stagionale e per la produzione di acqua sanitaria.

I pannelli solari termici vetrati ad acqua, che hanno un rendimento leggermente inferiore rispetto a quello dei pannelli non vetrati in condizioni ottimali, ma in condizioni non ottimali il loro rendimento è decisamente più elevato. Tali tipi di pannelli solari possono poi essere selettivi o non selettivi: la differenza sta nelle diverse funzioni ed uso dell’assorbitore.

I pannelli solari termici piani ad aria, i quali fanno circolare al loro interno aria e non acqua.

I pannelli solari termici sottovuoto che offrono un  grande apporto energetico anche in condizioni con temperature basse.

I vari tipi di pannelli solari possono però essere usati per la produzione di acqua calda o di energia elettrica

Nel primo caso, il serbatoio immagazzina l’acqua domestica che viene messa a contatto con del fluido tramite una serpentina. Tale tipo di acqua, tra l’altro, può essere utilizzata come acqua calda nelle abitazioni. I pannelli solari termici, offrono infatti acqua calda in buone quantità.

Per la produzione di energia elettrica, invece, si necessita di un impianto detto termodinamico, in quale, necessita, per caratteristiche, ampi spazi per la sua installazione e presenta di sole costante. La realizzazione di un impianto fa si che si possano ammortizzare determinati costi, in particolare grazie anche ad alcune agevolazioni fiscali di cui si potrebbe godere.

Tuttavia altri anche sono i vantaggi, in particolare:

Mancata emissione di CO2, indipendenza energetica, diminuzione di disastri ambientali, alto rendimento termico ecc….

Differente però da quanto detto sui pannelli solari, è ciò che riguarda i pannelli fotovoltaici.

I pannelli fotovoltaici, sono dei dispositivi utilizzati per convertire l’energia solare in energia elettrica, mediante un effetto fotovoltaico impiegato come generatore di corrente.

Come per i pannelli solari, diverse sono state le fasi e le evoluzioni storiche della tecnologia fotovoltaica, in particolare, si deve ricordare il lavoro fatto da Alexandre Becquerel che scoprì l’effetto fotovoltaico negli elettrodi liquidi, da Albert Einstein che diede vita ad una sua teoria sui pannelli fotovoltaici e al lavoro fatto da Sharp che produsse i primi tipi di pannelli fotovoltaici commerciali.

Fondamentale per la produzione di un modulo fotovoltaico è la cosiddetta cella fotovoltaica, ovvero, un dispositivo grazie al quale è possibile poter convertire l’energia della luce in elettricità.

I vari moduli fotovoltaici sono composti da varie celle, celle che possono arrivare fino a un numero di 96.

I moduli in silicio o poli-cristallini, sono quelli più diffusi in commercio, ogni cella è connessa l’un l’altra in modo da formare circuiti in serie e in parallelo.

Il modulo fotovoltaico in silicio è caratterizzato dalla presenza di molte materie prime e da vari materiali accessori per far si che possa essere utilizzato al meglio.

Per ciò che riguarda i vari tipi di celle fotovoltaiche più comuni in silicio, bisogna poter distinguere:

Il silicio monocristallino che rappresentai tipi di celle meno costose, il silicio policristallino, in cui le celle sono molto meno costose, il silicio amorfo depositato da fase a vapore in cui le celle hanno bassa efficienza ma sono altamente economiche.

Bisogna anche far riferimento alle celle fotoelettrochimiche realizzate per la prima volta nel 1901 la cui tecnologia di produzione è assai conveniente, alla cella fotovoltaica ibrida e, per finire alla cella fotovoltaica e concentrazione.

Tuttavia è possibile la creazione di moduli a film sottile che si caratterizzano per il fatto che non debbano essere assemblate più celle.

I moduli a film sottile si suddividono in varie categorie e tra i più diffusi troviamo:

Silicio amorfo, solfuro di cadmio, tellururo di cadmio, arseniuro di gallio ecc….

Per ciò che invece riguarda l’efficienza di un modulo fotovoltaico, importante è capire il rapporto tra energia captata rispetto a quella totale incidente sulla superficie del modulo.

L’efficienza ha effetti sulle dimensioni fisiche dell’impianto perché maggiore è l’efficienza e minore è la superficie necessaria di pannello, ma un miglioramento dell’efficienza di un certi modulo, si può avere tramite un processo di purificazione del materiale utilizzato e per l’efficienza dell’impianto, l’efficienza è strettamente legata alla temperatura della cella.

Le prestazioni di un pannello fotovoltaico possono diminuire di circa un punto percentuale su base annua, per questo si prevede una garanzia di minimo due anni sui vari difetti di fabbricazione e rendimento.

Discorso a parte va invece fatto per i costi di realizzazione delle celle, che sono gravati fino al 33% sui costi pesa anche la reperibilità di un certo materiale utile per la realizzazione dell’impianto.

Oggi i moduli fotovoltaici, sono oggetto di una specifica normativa che ne determina le caratteristiche e il funzionamento.