Energia termosolara

La noziun energia termosolara designescha la transfurmaziun d’energia solara en energia termica utilisabla. L’energia solara – che cumpiglia sper l’energia termosolara er implants fotovoltaics – appartegna a l’energia regenerabla.

Collecturs plats

La prestaziun da radiaziun che cuntanscha mintga di la surfatscha da la terra munta en l’entir mund radund 165 W/m² (entaifer 24 uras). Localmain variescha l’irradiaziun fitg ferm tut tenor il grad da latituda, l’autezza sur mar e l’aura. Tut en tut è la quantitad d’energia solara ch’arriva sin la terra dapli che dieschmilli giadas pli auta che l’entir basegn d’energia da l’umanitad. Il potenzial da l’energia solara è pli grond che quel da tut las ulteriuras energias regenerablas ensemen.

La fin da l’onn 2016 eran installads en tut il mund ca. 456 GW collecturs solars per gudagnar aua chauda (da quai la gronda part, ca. 325 GW, en China). Ultra da quai existan ovras d’energia solara per producir electricitad cun ina prestaziun totala da 4,8 GW.

Istorgia

Emprimas applicaziuns termosolaras van enavos sin l’antica, cura che spievels concavs vegnivan duvrads per focusar radis da glisch. Il tizun olimpic vegniva gia da quel temp e vegn er anc oz envidà cun agid d’in spievel concav. In diever passiv da l’energia solara è cumprovada en la Veglia Egipta, la Mesopotamia e las culturas autas da l’America dal Sid cun applitgar in’architectura correspundenta vi da lur edifizis. Qua èn per exempel ischs vegnids posiziunads uschia ch’els sa chattan da mezdi da la vart sumbrivauna. En zonas climaticas fraidas sa chattan fanestras ed ischs per ordinari da la vart che n’è betg opposta al vent ed èn tant sco pussaivel orientads vers il sulegl da mezdi.

Documentadas èn las consideraziuns architectonicas dal maister constructur roman Vitruv. El scriva: «En il nord pari ch’ils edifizis stoppian vegnir munids cun in plafond a arvieut plat, esser tant sco pussaivel serrads e betg averts, mabain orientads vers las direcziuns chaudas.»

En il 18avel tschientaner ha il scienzià da la natira Horace-Bénédict de Saussure inventà ils precursurs dals collecturs solars odierns. Sut l’influenza da la crisa d’ieli han ina alura sviluppà vers la mesadad dals onns 1970 concepts duvrabels co trair a niz l’energia solara.

L’emprim patent per in indriz solar insumma è vegnì surdà il 1891 al fabritgant da metal Clarence M. Kemp da Baltimore. I sa tractava d’in simpel collectur da chalira solara per gudagnar aua chauda.

Basas teoreticas

Energia solara disponibla en tut il mund. Las surfatschas nairas bastassan per cuvrir il basegn mundial d’energia primara (tar in’efficacitad da 8 %)

Tras la fusiun nucleara ch’ha lieu a l’intern dal sulegl vegn generada ina prestaziun da ca. 3,8 · 1026 watt; quella vegn emessa en furma da radiaziun. Il mund rotescha enturn il sulegl en ina distanza media da ca. 150 milliuns kilometers. La prestaziun da radiaziun repartida sin la surfatscha da la culla da la terra munta en media

$E_{0}=1367~W/m^{2}$,

quai che vegn designà sco constanta solara. La valur correspundenta vegn cuntanschida sin ina surfatscha che sa chatta en posiziun verticala tar il sulegl en l’univers datiers da l’atmosfera da la terra. Sin la surfatscha da la terra percunter è la valur bundant pli bassa pervi da la reflexiun ed absorpziun chaschunada da nivels erosols e gas. Tut tenor il grad da latituda sto il sulegl plinavant percurrer ina pli lunga distanza tras l’atmosfera. Da quai resulta sin terra ina radiaziun che sa differenziescha da lieu a lieu. In cler di da stad irradiescha il sulegl en l’Europa Centrala maximalmain 1000 W/m², l’enviern schizunt maximalmain 600 W/m² (da mezdi cura ch’il sulegl sa chatta en il zenit ed ha da percurrer ina pli curta distanza tras l’atmosfera). Resguardond las fluctuaziuns quotidianas crescha la radiaziun solara che sa lascha retschaiver davent da la levada dal sulegl fin mezdi ca. en ina funcziun da sinus e croda lura en medema moda fin la rendida dal sulegl. Guardà sur l’entir onn resulta da quai per l’Europa Centrala la suandanta radiaziun:

$E_{1}\approx 120~W/m^{2}$

Da la radiaziun effectiva sur plirs onns resulta da quai l’energia effectiva che cuntanscha il terren:

$G_{Solar}=1055~kWh/(a\cdot m^{2})$.

Questa valur correspunda ca. a la mesadad da la valur maximala che sa laschass teoreticamain cuntanscher. La perdita è per gronda part d’attribuir als nivels. Per la concepziun da collecturs solars partan ins per ordinari d’ina valur ch’è anc bundant pli bassa, damai ch’i ston vegnir resguardads ulteriurs facturs ch’influenzeschan en la pratica l’energia che po effectivamain vegnir tratga a niz.

Tar ils radis da sulegl sa tracti d’undas electromagneticas; la transfurmaziun intenziunada da quellas en energia termica succeda tras il princip da l’absorpziun. Quai po avair lieu tras collecturs solars ch’absorbeschan la radiaziun a moda directa. Cun agid d’uschenumnads concentraturs che sa basan sin il princip da la reflexiun (spievel concav ubain in grond dumber da singuls spievels che vegnan manads suenter al curs dal sulegl) èsi però er pussaivel da focusar la glisch dal sulegl; quai augmenta l’intensitad da la glisch che frunta sin l’absorber e pussibilitescha uschia ina pli auta temperatura en il med da transport da chalur.

In’utilisaziun termica da la radiaziun globala (l’irradiaziun diffusa che resulta da nivels u tschajera) cun agid da concentraturs n’è da princip betg pussaivla. Collecturs plats èn bain abels da trair a niz la radiaziun globala diffusa; quella maina però ad ina pli bassa prestaziun che la glisch dal sulegl directa.

Differentas furmas da construcziun da collecturs solars

Tagl traversal tras in collectur plat

Collecturs a vacum

Per gronda part vegnan collecturs solars installads directamain davant, sin u vi da l’edifizi che duaja vegnir stgaudà. Per part vegnan però er endrizzadas surfatschas da collecturs solars al liber – analog als parcs solars –, per exempel per proveder raits da chalur a distanza.

Igl existan collecturs plats, collecturs a vacum e collecturs parabolics. Ultra da quai vegn fatg la differenza, schebain ils collecturs lavuran cun u senza concentrar la radiaziun per augmentar la temperatura.

• Collecturs plats lavuran cun ina temperatura media da ca. 80 °C. Quest tip da collecturs na concentrescha betg la glisch, mabain stgauda directamain ina surfatscha platta ch’absorbescha bain chalur e tras la quala mainan conducts che cuntegnan il med da transport da chalur. Per ordinari èn ils conducts emplenids cun ina maschaida dad aua e propilenglicol (en relaziun 60:40); quest med sa stgauda e transporta – mess en moviment cun agid d’ina pumpa – la chalur. L’agiunta da propilenglicol serva sco protecziun cunter scheladas fin −23 °C; tar temperaturas pli bassas schela il med ultra da quai senza che ses volumen s’augmentia (per prevegnir a donns vi da l’indriz). In ulteriur effect dal propilenglicol è ch’il punct da buglida giascha, tut tenor pressiun, tar 150 °C u anc dapli. En il fratemp datti collecturs plats che cuntegnan al lieu dal material d’isolaziun tradiziunal in’isolaziun da vacum (sumegliant ad in collectur a vacum); quai sbassa la sperdita d’energia e gida uschia ad augmentar l’efficacitad. L’energia termica annuala che sa lascha gudagnar d’in collectur plat senza isolaziun da vacum munta a ca. 350 kWh/m².

• Collecturs a vacum consistan da duas bavrolas da vaider ch’èn construidas a moda concentrica ina en l’autra. Tranter questas bavrolas da vaider sa chatta in vacum che pussibilitescha bain da transmetter l’energia da radiaziun da la glisch a l’absorber, ma che reducescha a moda decisiva la perdita da chalur. En la bavrola interna sa chatta in med da transport da chalur, per ordinari medemamain ina maschaida dad aua e propilenglicol. Igl existan er uschenumnads sistems averts che stgaudan directamain aua. Quest tip da collectur lavura fin ad ina temperatura da manaschi da 150 °C. Collecturs a vacum han uschia bain ina pli auta efficacitad, ma ils custs d’acquisiziun èn er bundant pli auts. Collecturs a vacum pon er cuntegnair reflecturs che concentreschan la radiaziun sin la bavrola che cuntegna il med da transport da chalur.

• Collecturs parabolics focuseschan ils radis da sulegl sin in med da transport da chalur che percurra l’indriz en posiziun centrala. La temperatura da lavur è qua bundant pli auta (200 fin 500 °C). Sco med da transport da chalur vegn perquai fatg diever dad ielis.
• Tar turs solaras vegnan spievels plats manads suenter al sulegl, uschia che la glisch vegn concentrada al piz da la tur sin l’absorber. Questa tecnica maina a temperaturas fitg autas da bundant 1000 °C. Il cunfin teoretic giascha tar la temperatura da radiaziun dal sulegl da ca. 5500 °C. Sco med da transport da chalur vegn fatg diever dad aria, dad ielis ubain da natrium en furma liquida.

Il quozient or da l’energia termica che vegn gudagnada e l’energia da radiaziun che frunta sin il collectur inditgescha l’efficacitad da l’implant. Tar applicaziuns vi da chasas munta quel – tenor il stan actual da la perscrutaziun – tranter 60 e 75 %.

Champs d’applicaziun en il mintgadi

Schema d’in implant termosolar

En il diever privat vegn l’energia termosolara duvrada en emprima lingia per stgaudar e climatisar edifizis. En cumbinaziun cun ina buna isolaziun termica ed il diever passiv da la radiaziun dal sulegl sa reducescha il basegn d’ulteriura energia da stgaudar gia fitg ferm. In’utilisaziun passiva da l’energia solara ch’è ponderada a fund po er ir en l’Europa Centrala uschè lunsch ch’i na dovra pli nagin indriz da stgaudar activ. Ils exempels tipics per il diever da la radiaziun dal sulegl furman la serra (iert sut vaider) e la veranda serrada (veranda d’enviern). Fanestras cun vaider d’isolaziun orientadas vers sid sa laschan munir cun penslas: la stad porscha la pensla sumbriva; l’enviern percunter sa chatta il sulegl pli bass al tschiel, uschia ch’ils radis entran tras la fanestra e stgaudan l’edifizi. In effect cumparegliabel sa lascha cuntanscher cun agid da surfatschas da paraid absorbantas: Davos ina stresa da material d’isolaziun transparenta croda la glisch dal sulegl sin ina surfatscha naira e stgauda la paraid situada davosvart. Questas tecnicas passivas vegnan applitgadas en l’uschenumnada architectura solara.

En rom da la tecnica d’edifizis vegnan sistems termosolars a basa da collecturs bain classifitgads sco tecnologia ‹activa›, damai ch’igl è per ordinari en diever ina pumpa da circulaziun electrica. L’energia che quella dovra en in onn è però minimala (custs da ca. 8–10 francs ad onn tar 5300 h/a).

Per arcunar la chalur èn savens avant maun accumulaturs termics che lubeschan da trair a niz la chalur arcunada tenor basegn. Quels funcziuneschan ubain cun aua (en furma d’accumulaturs da gulivaziun) ubain transfurman – p.ex. a basa da parafin – ina gronda part da l’energia da chalur en la fasa da transiziun da solid tar liquid. Da quests ultims resulta ina capacitad da chalur ch’è per il factur 1,5 pli auta; ultra da quai dovra l’indriz bundant damain plaz ch’ils tancs dad aua. Quests dischavantatgs sa laschan però gulivar per part cun ina concepziun termica cumplessiva d’edifizis novs (p.ex. entras activar a moda termica la massa da terra che sa chatta sut il fundament da la chasa). Uschia sa porscha l’accumulaziun da chalur a basa dad aua vinavant sco alternativa bunmartgada.

Cura che radis da sulegl fruntan sin il collectur dattan els, tut tenor capacitad d’absorpziun da quel, giu 60–75 % da lur energia al med da transport da chalur. Cun agid d’ina pumpa da circulaziun vegn quel alura pumpà en il stgamiader termic da l’accumulatur. In regulatur ch’è collià cun in sensur da temperatura metta en moviment la pumpa, uschespert che la temperatura dal med da transport da chalur en il collectur surpassa ina valur minimala. Sch’il sistem lavura cun in accumulatur da gulivaziun, sa lascha la regulaziun endrizzar uschia che la pumpa lavura en quel mument che la temperatura dal med da transport da chalur sa chatta sut la temperatura da l’aua da gulivaziun che sa chatta giudim en l’accumulatur (e ch’è perquai tendenzialmain la pli fraida). Tras quai sa stgauda l’aua da gulivaziun, s’auza en l’accumulatur e po vegnir tratga a niz sur il stgamiader termic per stgaudar circulaziuns separadas d’aua da stgaudar e da baiver. Quest ultim enserra l’aua da diever stgaudada da l’entir tegnairchasa (per far la duscha, lavar giu etc.).

L’accumulatur da gulivaziun ademplescha tradiziunalmain la funcziun da prender si e dar giu chalur da tuttas uras. En cas ch’i vegn fatg diever d’in accumulatur da stagiun termochemic na dovri nagin accumulatur da gulivaziun pli. Ultra da quai ha quest ultim l’avantatg ch’i dat er sur lunga durada praticamain nagina sperdita da chalur. Tar l’accumulatur da gulivaziun sa sbassa la temperatura da l’aua percunter – malgrà tuttas mesiras d’isolaziun – inevitablamain suenter intgin temp.

Orientaziun

Montascha da collecturs solars

Vi da la chasa vegnan sistems da collecturs per ordinari montads a moda statica. Perquai èsi impurtant da calcular ordavant la posiziun e l’angul optimal per cuntanscher in bun resultat. Ins differenziescha en quest connex tranter l’angul d’inclinaziun vertical e l’angul d’acimut.

En l’Europa cuntanschan ins ils megliers resultats cun in angul d’inclinaziun tranter 30 e 45 grads ed in’orientaziun vers sid (acimut 0°). Er ina pitschna divergenza da l’orientaziun vers sid da fin a 20° sa lascha però prender en cumpra. Pervi dal suandant connex po ina tala divergenza schizunt esser d’avantatg en tscherts cas: Las uras da la damaun è l’umiditad da l’aria per ordinari pli auta, quai che po turblar vaira ferm l’aria. En pli è da trair en consideraziun che la temperatura da l’aria maximala vegn per il pli cuntanschida tranter las 13:00 uras e las 15:00 uras. Entras la temperatura da l’ambient pli auta crescha tar blers indrizs er l’efficacitad. Sut tschertas circumstanzas pleda quai per in’orientaziun vers sid-sidvest. Da l’autra vart sa furman en blers lieus en il decurs dal suentermezdi dapli nivels; quai ha in effect cuntrari e pleda tut tenor per in’orientaziun vers sid u schizunt vers sid-sidost.

L’angul optimal sa lascha eruir a basa da las datas da l’aura localas. Per quest intent porschan divers producents da collecturs software da simulaziun correspundenta.

Tar implants da collecturs che servan primarmain a stgaudar, vegn l’angul per ordinari optimà uschia ch’el garantescha la pli gronda effizienza pussaivla durant ils mais d’enviern. Per quest intent vegnan els per ordinari tschentads si en in angul da 40–45°, pia en posiziun bundant pli pendenta che quai ch’i fiss il cas tar implants fotovoltaics liads vi da la rait. Tar quests ultims vul ins cuntanscher la meglra effizienza annuala pussaivla, uschia che l’angul munta tranter 30–35°.

Sch’ins collia però l’implant termosolar cun in accumulatur stagiunal, alura èsi cuntraproductiv d’eleger in angul pli aut, damai che la producziun da chalur da la stad po vegnir tratga a niz d’enviern. La stad è la radiaziun numnadamain per il factur dus fin trais pli auta, entant ch’in angul pli tais maina d’enviern be ad in pitschen augment da l’effizienza.

Ideal fissi da pudair adattar ils collecturs a moda flexibla a la stagiun respectiva. La mecanica correspundenta è però relativamain cumplexa; en la pratica domineschan per ordinari ils avantatgs da la varianta statica, pli simpla da duvrar e main chara.

Temp d’amortisaziun energetic

Il temp d’amortisaziun energetic d’in sistem d’energia termosolara giascha tranter 12 e 24 mais. Quai vul dir: en quest interval han ils collecturs provedì il stgaudament cun la medema quantitad d’energia ch’ha stuì vegnir impundida per producir, transportar e montar l’implant. La durada da vita dals collecturs munta a almain 30 onns.

Sfradament solar

Analog a la producziun da chalur per stgaudar, sa lascha l’energia termica solara er trair a niz per sfradentar. Damai ch’il pli grond basegn da sfradentar croda per ordinari ensemen cun la pli auta radiaziun dal sulegl, sa lascha la chalur solara duvrar fitg bain er senza accumulaziun intermediara sco energia per far ir sistems da sfradentar. E cun agid d’in accumulatur da chalur po il surpli da chalur che vegn producì durant il di vegnir duvrà per sfradentar l’edifizi da notg. Cumpareglià cun in sistem da sfradentar separat croda davent en quest cas la transfurmaziun en energia secundara (electricitad).

Litteratura

• Thomas Delzer et al.: Sonnenwärme für den Hausgebrauch. Ein Ratgeber für Auswahl und Kauf der eigenen Solaranlage, Beuth, Berlin 2009, ISBN 978-3-410-20038-3.
• Ursula Eicker: Solare Technologien für Gebäude. Grundlagen und Praxisbeispiele, 2. ed. amplifitgada, Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2012, ISBN 978-3-8348-1281-0.
• Martin Kaltschmitt, Wolfgang Streicher, Andreas Wiese (ed.): Erneuerbare Energien. Systemtechnik, Wirtschaftlichkeit, Umweltaspekte. Springer Vieweg, Berlin / Heidelberg 2013, ISBN 978-3-642-03248-6.
• Bernd-Rainer Kasper, Bernhard Weyres-Borchert: Leitfaden Solarthermische Anlagen, 8. ed., Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie, Minca 2008, ISBN 978-3-00-025562-5.
• Klaus Oberzig: Solarwärme. Heizen mit der Sonne. Stiftung Warentest, Berlin 2012, ISBN 978-3-86851-047-8.
• Volker Quaschning: Erneuerbare Energien und Klimaschutz. 3. ed., Hanser, Minca 2013, ISBN 978-3-446-43809-5.
• Volker Quaschning: Regenerative Energiesysteme. 9. ed., Hanser, Minca 2015, ISBN 978-3-446-44267-2.
• Norbert Schreier et al.: Solarwärme optimal nutzen. 17. ed. actualisada, Wagner, Cölbe 2007, ISBN 978-3-923129-36-2.
• R. Stieglitz, V. Heinzel: Thermische Solarenergie: Grundlagen, Technologie, Anwendungen. Springer-Vieweg, Berlin/Heidelberg 2012, ISBN 978-3-642-29474-7.
• Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer: Handbuch Regenerative Energietechnik. 3. ed. actualisada ed amplifitgada, Berlin/Heidelberg 2017, ISBN 978-3-662-53072-6.

Colliaziuns

 Commons: Energia termosolara – Collecziun da maletgs, videos e datotecas d'audio

• Perscrutaziun areguard l’energia termosolara en Germania – ForschungsVerbund Erneuerbare Energien
• Broschura Solare Wärme sin verbraucherzentrale-energieberatung.de
• E-Book Ratgeber Solarthermie und Infos und Tipps zur Solarenergie sin solaranlage-ratgeber.de.