I collettori solari termici statici sono particolari scambiatori di calore che trasformano la radiazione solare in energia interna del fluido di trasporto. La componente principale di ogni sistema di conversione dell’energia solare è il collettore solare, il quale assorbe la radiazione solare incidente, la converte in calore e la trasferisce ad un fluido (di solito aria, acqua o olio) che lo attraversa; l’energia solare raccolta è trasportata dal fluido vettore, che attraversa il collettore, fino all’utenza o a sistemi di condizionamento o ad un serbatoio di immagazzinamento dell’energia termica, dal quale la stessa potrà essere estratta per usi notturni o in giorni nuvolosi. Questa tipologia di collettori, per la loro economicità, semplicità di gestione e soprattutto per le applicazioni su piccola scala, sono fissati in una posizione opportunamente orientata e non inseguono il Sole. Appartengono a questo genere:
1. il collettore piano, ovvero flat plate collector (FPC)
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- 2.5.1 Collettore piano
Nel pannello solare piano, di cui un tipico esempio è mostrato in figura [2.6], quando la radiazione solare attraversa la copertura trasparente ed incide sulla superficie annerita ad alto assorbimento dell’assorbitore, cede gran parte della sua energia alla piastra, che a sua volta la trasmette al fluido vettore che scorre all’interno di appositi tubi; quest’ultimi collegano il pannello al serbatoio di immagazzinamento del fluido caldo. La superficie opposta a quella vetrata e le superfici laterali sono ben coibentate per diminuire le perdite termiche per conduzione. I tubi che trasportano il fluido possono essere saldati alla piastra assorbente o possono essere parte integrante del pannello, ed ad entrambe le estremità sono connessi alla tubazione di mandata o di ritorno dell’impianto. La copertura trasparente è usata per ridurre le perdite convettive della piastra assorbente attraverso il contenimento di uno strato di aria stagnante tra la piastra ed il vetro; inoltre, se la superficie trasparente presenta proprietà selettive riduce ulteriormente le perdite radiative del collettore, in quanto tale vetro risulterà trasparente alle onde corte della radiazione solare ed opaco alle onde di lunghezza maggiore della radiazione termica della piastra riscaldata (effetto serra interno al pannello).
Nei pannelli piani, la temperatura massima raggiungibile si aggira intorno agli 80° C e sarà di poco superiore nel caso la base assorbente sia stata trattata con speciali vernici, in modo da ottenere una superficie selettiva o anti-raggiante. Il pannello solare piano dovrebbe essere sempre orientato direttamente verso l’equatore, esposto a sud nell’emisfero boreale ed a nord in quello australe.
L’angolo di inclinazione ottimale del pannello, che permette di massimizzare la radiazione incidente, è uguale alla latitudine del luogo dove viene installato, con variazioni comprese tra 10° e 15° in funzione delle applicazioni; infatti, più il pannello viene posto vicino alla posizione verticale, maggiore sarà la radiazione captata nel periodo invernale (quando il sole è più basso), viceversa nel periodo estivo si prediligono angoli di tilt più bassi7.
49 Figura 2.6 − Vista in sezione di un pannello piano
I collettori piano sono stati costruiti di molteplici dimensioni e differenti tipi di materiale. Essi vengono usati per scaldare fluidi come acqua, acqua con antigelo o aria, con l’obiettivo di raccogliere la maggior parte di radiazione solare al minor costo possibile. Il problema di questo tipo di collettori è la difficoltà intrinseca di limitare le perdite di calore verso l’ambiente esterno; si tratta, in effetti, di un serbatoio coibentato solamente lungo cinque delle sei superfici esposte a qualsiasi condizione meteorologica. A seguito di ciò, è naturale intuire che al peggiorare delle condizioni climatiche, l’efficienza dei collettori decresce rapidamente, rendendo tali dispositivi inadatti a climi o periodi dell’anno non sufficientemente miti.
Infine, il collettore dovrebbe avere una lunga vita utile a dispetto delle avverse condizioni atmosferiche, della radiazione ultravioletta, della corrosione, del possibile intasamento, dovuto all’acidità o durezza dell’acqua, del ghiaccio, della deposizione di polvere e umidità sul vetro, nonché della rottura per deformazioni termiche, grandine, vandalismi o altre cause; tali effetti possono essere attenuati dall’utilizzo di vetri temperati.
- 2.5.2 Collettore piano sottovuoto
I convenzionali collettori piani sono stati sviluppati per essere utilizzati in ambienti caldi e soleggiati, tuttavia i loro benefici si riducono notevolmente quando le condizioni climatiche si fanno fredde o nuvolose; difatti, nel lungo periodo, le condizioni climatiche come l’umidità o la polvere causano il precoce deterioramento dei materiali interni al
50 pannello piano, determinando una riduzione del rendimento o la rottura del sistema. Al contrario, i collettori solari a tubi evacuati si prestano a mantenere un’elevata efficienza anche in presenza di irraggiamento contenuto o di elevate differenze di temperatura tra l’elemento assorbente e l’ambiente circostante.
Il collettore in esame, come rappresentato nella figura [2.7], consiste in un tubo per lo scambio del calore con il fluido vettore, contenuto in un ambiente sottovuoto, e dimostra come l’effetto combinato della superficie selettiva e la diminuzione delle perdite di calore, dovute al vuoto, portano ad ottenere buoni rendimenti anche ad alte temperature; difatti, lo strato di vuoto riduce le perdite convettive e conduttive, e tale riduzione permette al collettore di raggiungere temperature superiori rispetto ai collettori piani.
Figura 2.7 − Schema di un collettore a tubi evacuati
Come i collettori piani, i pannelli sottovuoto possono raccogliere sia la radiazione diretta che quella diffusa, comunque la loro efficienza è maggiore ai bassi angoli di incidenza. I tubi sottovuoto usano il cambiamento di fase liquido – vapore per trasferire calore ad alta efficienza; difatti, la piastra assorbente si suddivide in lunghi cilindri di metallo (ad esempio rame), trattati superficialmente con vernici nere e selettive. Ciascuno di questi tubi è inserito (perfettamente combaciante) in un tubo di vetro immerso, a sua volta, in un secondo e più largo tubo, di vetro anch’esso. Durante l’assemblaggio del collettore, tra i due tubi concentrici posti in asse, viene aspirata l’aria (fino a raggiungere una pressione dell’ordine del bar); nella parte alta del collettore, i bulbi terminali
51 calore, trasportandolo verso l’utenza. Il tubo evaporatore contiene una piccola quantità di fluido (metanolo) che compie continuamente il ciclo di evaporazione e condensazione, nel quale l’energia solare fa evaporare il fluido che si sposta nella zona di condensazione e cede il calore latente al fluido vettore secondario, che condensandosi, si riporta nel collettore per ripetere il ciclo.
Poiché non è possibile alcuna evaporazione o condensazione durante il cambiamento di fase, la soluzione a tubi evacuati offre una protezione intrinseca dal freddo e dal surriscaldamento; questo controllo della temperatura è una caratteristica unica del collettore sottovuoto.