Il raffrescamento solare è un sistema che converte il calore del sole in raffrescamento utilizzabile per la refrigerazione e il condizionamento. Un sistema di raffreddamento solare raccoglie l'energia solare e la utilizza in un processo di raffreddamento guidato dal calore che a sua volta viene utilizzato per diminuire e controllare la temperatura per scopi come la generazione di acqua refrigerata o aria condizionata per un edificio.
Esistono molte diverse tecniche di ciclo di raffreddamento che utilizzano vari principi diversi per funzionare. Tre delle tecniche più popolari includono:
- cicli di assorbimento
- cicli essiccanti
- cicli meccanici solari
Come funziona il raffreddamento solare
Indipendentemente dalla tecnica utilizzata, un sistema di raffreddamento solare in genere include tre componenti principali:
- Un collettore solare, come un pannello solare, che viene utilizzato per convertire la radiazione solare in calore o lavoro meccanico.
- Un impianto di refrigerazione o condizionamento dell'aria utilizzato per produrre il raffreddamento.
- Un dissipatore di calore che raccoglie il calore rifiutato e lo irradia lontano dal sistema.
Mentre le tecniche utilizzate per ottenere il raffreddamento solare variano, l'obiettivo finale rimane lo stesso: utilizzare una fonte di calore esterna, come un pannello solare, per raccogliere la temperatura ambiente e quindi utilizzare quel calore con un refrigerante per creare pressione all'interno di un circuito chiuso di refrigerante, quindi consentendo il funzionamento del sistema di raffreddamento solare.
Un refrigerante è una sostanza o una miscela che assorbe calore dall'ambiente e può creare refrigerazione o aria condizionata se è combinato con gli altri componenti necessari, come compressori ed evaporatori. Nella maggior parte dei cicli di raffreddamento, il refrigerante passerà dalla fase liquida alla fase gassosa e poi di nuovo per raggiungere il suo scopo di raffreddamento.
Nei cicli di assorbimento, il processo di raffreddamento si basa sul raffreddamento evaporativo di un refrigerante. Poiché la vaporizzazione richiede un input di energia, il processo prende calore dal sistema, lasciando il fluido rimanente più fresco di prima. I cicli di assorbimento completano la pressurizzazione sciogliendo un refrigerante in un assorbente, o qualcosa che assorbe facilmente il liquido, invece di utilizzare un compressore meccanico.
I cicli di raffreddamento ad assorbimento possiedono quattro componenti principali specifici: un assorbitore, un generatore, un condensatore e un evaporatore. L'evaporatore è, essenzialmente, l'impianto di refrigerazione o condizionamento utilizzato in tutti i sistemi di raffreddamento poiché è qui che avviene il raffreddamento.
In un ciclo di assorbimento, il processo di raffreddamento procede come segue:
- L'assorbitore trattiene una miscela assorbente-refrigerante che viene erogata al generatore attraverso una pompa del liquido.
- Il generatore prende la miscela assorbente-refrigerante e la riscalda sfruttando l'energia solare esterna che è stata raccolta attraverso una sorgente come un pannello solare. La soluzione inizia a bollire in reazione al calore, trasformando l'acqua in vapore che fluisce al condensatore.
- Il condensatore liquefa il vapore acqueo, respingendo il calore nel processo che viene raccolto dal dissipatore di calore. La nuova condensa liquida viene quindi convogliata verso l'evaporatore tramite una valvola di espansione.
- Infine, l'evaporazione del refrigerante a bassa pressione fa sì che l'evaporatore assorba il calore dall'ambiente raffreddato, creando l'effetto di raffreddamento.
Alla fine, il refrigerante vaporizzato ritorna all'assorbitore e il ciclo si ripete. L'energia solare è responsabile della guida di questo ciclo.
I sistemi di raffreddamento ad adsorbimento si basano su processi di deumidificazione-umidificazione ciclici. Utilizza sostanze e materiali che attirano prontamente l'acqua dall'ambiente circostante per la deumidificazione. Questi materiali sono noti come essiccanti. Gli essiccanti vengono rigenerati nel ciclo applicando l'energia solare.
I sistemi di raffreddamento ad adsorbimento possono funzionare con essiccanti sia liquidi che solidi. Il processo di raffreddamento con essiccante procede come segue:
- Gli essiccanti assorbono il vapore acqueo e rimuovono l'umidità dall'aria di processo nell'unità di deumidificazione o assorbitore. Un trasferimento risulta dalla differenza di pressione del vapore, rilasciando così calore dovuto alla condensazione dell'acqua e creando uno scambio termico.
- L'aria viene quindi introdotta nello spazio o in un raffreddatore evaporativo per un ulteriore raffreddamento mentre l'essiccante diluito viene inviato al rigeneratore. Tuttavia, prima che l'essiccante diluito possa entrare nel rigeneratore, deve passare attraverso uno scambiatore di calore liquido-liquido e una serpentina di riscaldamento per aumentare la sua temperatura.
- Una volta nel rigeneratore, l'essiccante diluito riscaldato viene esposto all'aria rigenerativa, provocando il trasferimento dell'umidità dalla soluzione diluita all'aria. Questo trasferimento è dovuto alla differenza creata nella pressione del vapore.
- Successivamente, l'essiccante risultante più concentrato passa ancora una volta attraverso lo scambiatore di calore liquido-liquido e una serpentina di raffreddamento e quindi torna nell'unità di deumidificazione, consentendo la ripetizione del ciclo.
La terza tecnica, i cicli meccanici solari, funziona in modo molto diverso dai cicli di assorbimento e disseccante. Invece di creare un sistema completamente nuovo, i cicli meccanici solari tentano di combinare la meccanica ad energia solare con i sistemi di raffreddamento convenzionali. In questo ciclo, l'energia solare viene utilizzata per alimentare il motore vero e proprio che produce l'energia utilizzata per far funzionare l'intero sistema di raffreddamento invece alimentando il refrigeratore ad assorbimento, come avviene sia nei cicli di assorbimento che di essiccante.
Applicazioni del raffrescamento solare
Il raffreddamento solare ha principalmente due scopi principali: refrigerare la conservazione degli alimenti e il raffreddamento degli ambienti o il condizionamento dell'aria. Il raffreddamento solare può essere visto in veicoli come camper e camper che utilizzano il sistema per la refrigerazione. I sistemi di refrigerazione ad assorbimento di vapore, utilizzati nelle industrie in cui sono richieste temperature di processo estremamente basse e grandi capacità termiche, mostrano anche l'uso del raffreddamento solare.
Forse l'applicazione più vantaggiosa del raffreddamento solare è la sua capacità di fornire sistemi di raffreddamento a paesi che altrimenti non sarebbero in grado di gestire i costi e gli oneri elettrici ed energetici totali richiesti dai sistemi di raffreddamento convenzionali. Il raffreddamento solare riduce notevolmente la quantità di energia richiesta per refrigerare beni di prima necessità come vaccini e prodotti agricoli, il che, a sua volta, crea risparmi sui costi e avvantaggia l'ambiente utilizzando energia rinnovabile e riducendo l'uso di materiali che riducono lo strato di ozono.
Sfide del raffrescamento solare
Sebbene il raffreddamento solare sia stato applicato in vari ambienti industriali, i sistemi di raffreddamento domestico spesso non sono economici. L'elevato costo e la bassa efficienza previsti per i sistemi domestici sono stati uno dei principali ostacoli alla loro più ampia applicazione domestica.
Inoltre, mentre i costi operativi a lungo termine del sistema sono inferiori a quelli accumulati dai sistemi di raffreddamento convenzionali, il costo dell'investimento iniziale è molto più alto a causa della fornitura minore e dei prezzi elevati dei componenti del sistema come il collettore solare e i serbatoi di stoccaggio.