Posizionamento e orientazione dei collettori CPC

I collettori CPC, così come qualsiasi altro sistema di sfruttamento dell’energia solare, vengono orientati verso l’Equatore in modo da massimizzare la radiazione incidente e in particolare nell’emisfero borale sono disposti verso sud. Vengono installati con un’inclinazione rispetto al suolo definita dall’angolo di tilt β: la figura 3.13 riporta uno schema semplificativo dell’orientazione tipica di un collettore CPC [7].

La scelta del grado di concentrazione si traduce, in accordo con la relazione (3.1), nel fissare il valore dell’angolo di semi-accettazione θc. Osservando la figura 3.13 la

porzione di cielo, entro la quale i raggi solari penetrano nel concentratore è definita dall’angolo totale di accettazione ovvero2 · θc.

L’inclinazione va scelta in ragione delle traiettorie solari, le quali cambiano in base alla latitudine del luogo di installazione: in prima approssimazione, si può

3.1. Descrizione dettagliata del collettore solare CPC 59

Figura 3.13: Orientazione dei collettori solari CPC

affermare che l’angolo di tilt β deve essere proporzionale alla latitudine stessa. Il collettore viene montato con asse verticale nel caso in cui venga installato in zone prossime all’Equatore, in quanto il Sole nelle sue traiettorie si troverebbe spesso allo Zenit1. Questo non vale per le installazioni nei cosiddetti Paesi Occidentali, nei quali la tecnologia del solare termico è oggi in rapida diffusione: alle corrispondenti latitudini il Sole raramente si trova allo Zenit. In Italia, considerando una latitudine media di43◦, il Sole sorge con un’altezza solare α nulla; la massima altezza αmax,

raggiunta durante il mese di Giugno, è di circa70◦_.

Se si volesse sfruttare la radiazione incidente durante tutto l’anno, il concentratore dovrebbe avere un angolo di accettazione pari ad α_maxovvero θ_c= αmax/2: si riusci-

rebbe a captare i raggi solari per tutte le traettorie che il Sole compie annualmente e quindi per tutti i valori dell’altezza solare raggiunti. In accordo con la relazione (3.1) la concentrazione C sarebbe pari a:

C= 1

sin(αmax

2 )

= 1.74 (3.10)

Generalmente il collettore viene dimensionato e installato per sfruttare la radia- zione solare durante le ore centrali del giorno nel periodo estivo per via della massima insolazione annuale. Il collettore sarà quindi orientato con un angolo di tilt β pari a:

β = 90◦− α_max+ θc (3.11)

É possibile definire un’altezza solare minima α_min : se il Sole non raggiunge tale altezza, il collettore non riesce a captare i raggi solari; per simmetria, la stessa cosa si verifica nel caso in cui esso superi l’altezza solare(180◦− αmin). L’altezza solare

minima è così definita [7]:

αmin = 90◦− (β + θc) (3.12)

La tabella 3.1 riporta, a titolo d’esempio, i dati sull’inclinazione ottimale β, sull’altezza solare minima αmin per tre CPC con diverse concentrazioni. Sono state utilizzate le

precedenti relazioni; l’angolo di semi-accettazione, valutato con la (3.1), è indicato 1

Si ricorda che le traiettorie solari e gli angoli che definiscono la posizione del Sole nella volta celeste, sono descritti in dettaglio in [7, 10].

60 3. Analisi CFD della fluidodinamica interna di un CPC

con θc.

Concentrazione Semi-accettazione Inclinazione Altezza solare minima

C θc[deg] β [deg] αmin [deg]

1.74 35 55 0

2 30 50 10

3 19.5 39.5 30

Tabella 3.1: Angolo di semi-accettazione, di inclinazione ottimale e altezza solare minima per alcuni CPC

Un maggior grado di concentrazione, a parità di area captante, permette di riscaldare maggiormente il fluido termo-vettore che scorre all’interno dell’assorbitore: i raggi solari vengono concentrati su un ricevitore di area minore; le perdite di calore sono minori e quindi si raggiungono delle temperature maggiori. D’altronde a concentrazioni maggiori corrispondono angoli di apertura maggiori e quindi porzioni di cielo sfruttabili minori ovvero minori ore di funzionamento del collettore stesso. La scelta del grado di concentrazione deve essere un compromesso tra le precedenti esigenze, le quali avranno una diversa importanza a seconda dell’applicazione a cui il CPC è destinato

Finora sono stati trattati solo collettori CPC statici, senza sistema di inseguimento delle traettorie solari. L’utilizzo di tali sistemi, ovviamente, permette di superare i problemi sull’orientazione esposti sopra: il collettore è diretto costantemente verso il Sole e la radiazione solare è quindi massima; è necessario, però, garantire l’affidabilità del sistema stesso mediante deelle periodiche attività manutentive, che comportano un impiego di manodopera.

In alternativa, i collettori statici possono essere montati con un angolo di tilt che varia durante l’anno ovvero procedere a regolari aggiustamenti dell’inclinazione del collettore cioè a dei riposizionamenti stagionali. Anche questa operazione richiede un notevole utilizzo della manodopera in quanto il campo solare deve essere smontato, riposizionato e rimontato.

L’utilizzo dei sistemi di inseguimento e della pratica del riposizionamento stagionale è limitata solo ad applicazioni di alta potenza, laddove è necessario massimizzare la radiazione solare incidente.

I collettori solari CPC possono essere installati direttamente sui tetti degli edifici oppure al suolo a seconda del tipo di applicazione a cui sono destinati e della disponibilità di spazio. Frequente è la pratica di collocare più collettori CPC in uno stesso pannello ovvero di disporli adiacenti su più righe; i concentratori sono isolati dall’ambiente esterno con materiale coibentante e chiusi con una medesima lastra di vetro. Il sistema così ottenuto è spesso indicato con il termine di collettori CPC di tipo piano in quanto presentano una struttura esterna simile a quella dei collettori solari piani (FPC) propriamente detti, descritti nel paragrafo 2.2.1: la figura 3.14 ne riporta una sezione e una tipica installazione [10, 25].

I collettori CPC di tipo piano, grazie alla loro struttura particolarmente compatta, possono essere facilmente installati sui tetti degli edifici anche per applicazioni domestiche (per lo più di bassa temperatura ovvero fino a 100◦C): questo ne ha