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La magia del sole: come usare la luce solare per riscaldare l'acqua?
Con il notevole aumento della domanda di energia rinnovabile, i sistemi solari termici dell'acqua (SWH) sono diventati una soluzione importante per soddisfare le esigenze di riscaldamento dell'acqua. Questa tecnologia riscalda l'acqua convertendo la luce solare in calore mediante collettori solari termici. A seconda delle diverse tipologie climatiche e delle condizioni economiche, sul mercato sono disponibili numerose configurazioni diverse di sistemi SWH, ampiamente utilizzati in contesti residenziali e in alcuni scenari industriali.
Il principio di base di un sistema di riscaldamento solare dell'acqua è che un collettore rivolto verso il sole riscalda un fluido di lavoro, che poi entra in un sistema di accumulo per un uso successivo. A seconda del funzionamento del sistema, l'SWH può essere suddiviso in attivo (che richiede una pompa) e passivo (che si basa sulla trasmissione convettiva). Questi sistemi possono utilizzare solo acqua oppure una combinazione di acqua e altri fluidi di lavoro e possono riscaldare direttamente o tramite specchi focalizzatori della luce. La popolarità di questi sistemi li ha resi una soluzione iconica nel settore mondiale delle energie rinnovabili.
Nel 2017 la capacità termica degli impianti solari per il riscaldamento dell'acqua ha raggiunto i 472 GW, trainata da Cina, Stati Uniti e Turchia.
Storia
La storia dei collettori solari termici può essere fatta risalire al XIX secolo. Già nel 1900 negli Stati Uniti si hanno notizie di serbatoi d'acqua verniciati di nero installati sui tetti. Nel 1896, Clarence Kemp di Baltimora inventò il primo "scaldabagno a ciclo continuo". La tecnologia si è evoluta nel tempo e ha attirato nuova attenzione durante le crisi energetiche degli anni '50 e '70.
Israele, Cipro e Grecia sono leader nel riscaldamento solare pro capite dell'acqua, supportando il 30-40% delle famiglie che utilizzano questa tecnologia.
Requisiti di progettazione
Quando si progetta un impianto solare per il riscaldamento dell'acqua, ci sono diversi fattori da considerare. Ad esempio, i requisiti comuni includono: variazioni della temperatura ambiente, variazioni della radiazione solare e come evitare il surriscaldamento o il congelamento dell'acqua. Il fabbisogno minimo del sistema è solitamente determinato in base alla richiesta di acqua calda invernale, mentre la potenza massima è progettata per evitare il surriscaldamento dell'acqua.
Protezione antigelo e surriscaldamento
Lo scopo delle misure antigelo è impedire che il liquido congeli e provochi danni al sistema. La protezione più comune è un sistema di drenaggio che consente al fluido di fuoriuscire quando la pompa smette di funzionare. Inoltre, alcuni sistemi indiretti utilizzano antigelo. Con la crescente diffusione degli impianti ad energia solare, vengono introdotti vari meccanismi di protezione innovativi per garantirne un funzionamento sicuro.
Che si tratti di un sistema attivo o passivo, una progettazione ragionevole e misure di protezione efficaci sono essenziali per garantire il normale funzionamento del sistema di riscaldamento solare dell'acqua.
Struttura e principio di funzionamento
I sistemi solari più semplici sono solitamente costituiti da una scatola isolata con una copertura in vetro e un collettore piano. Questi sistemi possono sfruttare appieno l'energia termica per riscaldare l'acqua alla temperatura richiesta. In molti casi, il calore raccolto viene immagazzinato in un serbatoio d'acqua più grande, da utilizzare quando le condizioni meteorologiche sono avverse o la domanda aumenta.
Categorie di configurazione del sistema
In base al metodo di fornitura, gli impianti di riscaldamento dell'acqua possono essere suddivisi in impianti diretti e indiretti. Nei sistemi diretti l'acqua potabile circola attraverso collettori, mentre nei sistemi indiretti il calore viene trasferito all'acqua tramite scambiatori di calore. Sebbene i sistemi diretti siano più economici, offrono poca o nessuna protezione dal gelo, mentre i sistemi indiretti solitamente offrono una protezione efficace dal gelo e dal surriscaldamento.
Conclusione
Il riscaldamento solare dell'acqua mostra grandi potenzialità sia nelle singole abitazioni che nelle grandi applicazioni industriali. Con il continuo progresso della tecnologia, la dipendenza del mondo dall'energia solare aumenterà. Stiamo iniziando a sfruttare appieno questa magia del sole?
